Котлы изготавливаются различных конструкций и размеров в зависимости от характеристик используемого топлива и теплопроизводительности. Некоторые котлы способны производить только горячую воду, в то время как другие предназначены для производства пара. Основной целью котла является преобразование химической энергии в тепловую энергию, что достигается за счет двух основных процессов в котле. Во-первых, топливо смешивается с соответствующим количеством кислорода, чтобы обеспечить устойчивое горение. Затем нагретые газы от процесса сгорания используются для передачи тепловой энергии жидкости или пару. Котлы можно классифицировать по способу передачи тепловой энергии. Наиболее распространенные типы, огнетрубные и водотрубные, будут описаны в следующих разделах.

Жаротрубный котел

В жаротрубных котлах горячие дымовые газы проходят через ряд труб, расположенных внутри заполненной водой внешней оболочки. Когда газы проходят по трубкам, они нагревают воду, окружающую трубки. Современные жаротрубные котлы часто имеют цилиндрическую внешнюю оболочку с круглой камерой сгорания внизу, и они в основном используются в системах низкого давления, чтобы избежать необходимости в толстой внешней оболочке. Котлы этого типа часто характеризуются количеством проходов, т. е. количеством проходов дымовых газов через внешнюю оболочку. Количество проходов зависит от деталей конструкции, обычно от одного до четырех проходов в обычных конструкциях. Большинство конструкций могут использовать различные виды топлива, такие как нефть, газ, уголь и биомасса.

Водотрубный котел

В водотрубных котлах горячие дымовые газы циркулируют снаружи по большому количеству заполненных водой труб. В старых конструкциях трубы либо прямые, либо изогнуты в простые формы, в то время как в современных конструкциях они часто имеют сложные и разнообразные изгибы. Поскольку давление находится внутри водяных труб, водотрубные котлы можно использовать в системах с высоким давлением. Как и в случае с жаротрубными котлами, водотрубные котлы могут иметь несколько горелок и могут работать практически на любом виде жидкого, твердого или газообразного топлива. Конструкция котла может существенно различаться в зависимости от того, на каком топливе он предназначен. Эти конструкции различаются главным образом способом подачи топлива в процесс сгорания и поэтому обычно могут быть адаптированы для других видов топлива, а не для того, для которого они изначально были разработаны.

Конденсационные и неконденсационные котлы

Котлы традиционной конструкции должны работать без конденсации дымовых газов в котле. Это мера предосторожности для предотвращения коррозии и означает, что водогрейные агрегаты должны эксплуатироваться при температуре воды не ниже 60 C. В неконденсационных котлах значительное количество энергии теряется в виде тепла с отходящими газами. Путем пропускания дымовых газов через вторичный теплообменник и, таким образом, конденсации водяного пара в дымовых газах часть этой энергии может быть рекуперирована.

Эффективность котла сильно зависит от температуры воды на входе, поэтому эффективность котла без конденсации сильно ограничена требованиями к минимальной температуре. С другой стороны, конденсационные котлы изготовлены из устойчивых к коррозии материалов и, следовательно, могут достигать гораздо более высокой потенциальной эффективности. В настоящее время широко доступны полностью конденсационные котлы, они могут быть жаротрубными или водотрубными, а также иметь другие менее распространенные типы конструкции.

Из-за значительного повышения эффективности за счет конденсации дымовых газов большое количество неконденсационных котлов было оснащено внешним конденсатором, обычно называемым экономайзером. При использовании этих экономайзеров необходимо позаботиться о защите неконденсирующего котла от низкотемпературной воды на входе в случае выхода из строя экономайзера (ASHRAE, 2008). Экономайзеры и методы конденсации более подробно обсуждаются в следующих статьях.

Системы подачи топлива

Система подачи топлива в котел играет важную роль с точки зрения эффективности котла. Основная функция этих систем двояка: транспортировка топлива к котлу и обеспечение того, чтобы топливо распределялось внутри котла таким образом, чтобы оно способствовало равномерному и полному сгоранию. Эти системы сильно различаются в зависимости от типа используемого топлива. Топливо в газообразном виде является наиболее простым видом топлива для транспортировки и обращения. При введении разницы давлений газ начнет течь, и большинство газообразных топлив легко смешиваются с воздухом. Расход газообразного топлива можно очень точно контролировать с помощью различных систем управления.

Точно так же транспортировка и обращение с жидким топливом также довольно просты в управлении. Топливо легко транспортируется с помощью насосов и сетей трубопроводов, а за счет распыления жидкого топлива при впрыскивании его в процесс горения топливо хорошо смешивается с воздухом, способствуя полному сгоранию. Распыление обычно осуществляется воздухом, паром или давлением для получения капель, в результате чего топливо горит больше как газ, чем как жидкость. Жидкотопливные котлы можно контролировать с помощью различных систем управления, измеряющих расход топлива.

Когда дело доходит до твердого топлива, обращение с ним становится намного сложнее. Топливо может быть обработано до сжигания, например, с использованием таких методов, как дробление или измельчение. Топливо часто транспортируется с помощью механических устройств, таких как бункеры, конвейеры, вибраторы, шнеки и воздуходувки. Самый старый и простой способ обращения с твердым топливом — ручное сжигание топлива. Топливо вручную подается на чугунную решетку, где оно сгорает. Ручная подача сегодня используется очень редко, поскольку этот метод превратился в более сложные и эффективные методы, которые будут кратко описаны в следующих разделах. Большинство систем подачи твердого топлива изначально были разработаны специально для сжигания угля, однако в большинстве из них другие виды твердого топлива могут либо смешиваться с углем, либо полностью его заменять.

Стокерные склады

Распространенным решением для подачи твердого топлива в котлы является использование стокерных складов. Они были впервые использованы в 18 веке для сжигания угля. С тех пор они превратились из грубых машин в сложные электромеханические компоненты, которые могут быстро реагировать на изменения потребности в мощности котла и обеспечивать хорошие возможности обращения с топливом и динамический диапазон, определяемый как отношение максимального расхода топлива к минимальному.

Системы сжигания со стокерами должны быть интегрированы в конструкцию котла, чтобы оптимизировать сжигание и рекуперацию тепла и свести к минимуму выбросы. Системы стокерных складов обычно подразделяются на системы с нижней или верхней подачей.

Топки с нижней подачей

В топки с нижней подачей топливо и воздух для горения подаются из-под решетки. Топливо перемещается из бункера в реторту. По мере того, как в реторту подается больше топлива, существующее топливо начинает подниматься и затем переливается на решетки, расположенные по обеим сторонам реторты. Когда топливо движется по решетке, оно подвергается воздействию воздуха и лучистого тепла и начинает гореть. В некоторых случаях необходимо использовать решетки, перемешивающие слой топлива, чтобы уменьшить склонность к образованию клинкера. Спрос на стокеры с нижней подачей снизился из-за стоимости, а также экологических соображений, и в настоящее время они в основном используются в небольших котлах, сжигающих биомассу.

Топки с верхней подачей

Стокерные системы с верхней подачей, как правило, далее классифицируются как стокеры с разбрасывателем или стокеры с массовой подачей. Классификация отражает способ распределения и сжигания топлива в котле.

В топках с массовой подачей топливо непрерывно подается в котел с одной стороны решетки. Затвор используется для контроля количества топлива, подаваемого в котел. Когда топливо поступает в котел, оно самотеком падает на решетку, и скорость движения топлива по решетке можно регулировать. Топливо сгорает при движении вдоль колосника и при подаче первичного воздуха для горения из-под колосника и через горящее топливо.

Наиболее часто используемыми системами являются стокеры-разбрасыватели из-за их универсальности. Топливо подается в котел с помощью устройства, которое выбрасывает частицы топлива в воздух над колосниковой решеткой. Это означает, что разбрасыватель может распределять топливо равномерно и на одинаковую глубину по всей решетке. Выбрасывая топливо в воздух, он позволяет некоторым из более мелких частиц воспламеняться и гореть во взвешенном состоянии, в то время как более крупные частицы сгорают в тонком слое на решетке. Из-за этого сжигания суспензии время отклика кочегарки разбрасывателя лучше, чем у стокера массовой подачи.

Измельчение топлива

Топливные котлы чрезвычайно чувствительны к размеру топлива, сегрегации и содержанию влаги. В целях повышения надежности было разработано сжигание пылевидного топлива. При измельчении твердого топлива площадь поверхности, контактирующей с воздухом при сгорании, увеличивается, что приводит к ускоренному сгоранию. Когда топливо измельчено, оно горит больше как газ, и поэтому его легко зажечь и контролировать.

Когда топливо измельчается, предварительно нагретый воздух используется для сушки топлива, а затем переносит пылевидное топливо в горелку. Когда топливо поступает в горелку, воздушный поток создает достаточную турбулентность, так что топливо сгорает во взвешенном состоянии. Эти системы способны быстро приспосабливаться к изменениям потребности в мощности котла. Сжигание пылевидного топлива также помогает добиться минимальных потерь углерода и снизить потребность в избыточном воздухе. Однако его установка очень дорога, требует высокоэффективных систем сбора летучей золы, а также дополнительной мощности для измельчения топлива.

Кипящий слой

Третьим типом систем обращения с твердым топливом является псевдосжиженный слой. Эта техника быстро развивается и получает признание. В настоящее время он широко используется в качестве альтернативы системам стокерной подачи и измельчения. Котел с кипящим слоем происходит от нефтеперерабатывающих и химических заводов, где они использовались для уничтожения различных газообразных, жидких и твердых отходов. Они способны сжигать широкий спектр видов топлива, от влажной биомассы до высокозольного угля в дополнение к обычным видам топлива экологически приемлемым способом.

В котле с псевдосжиженным слоем топливо смешивается с инертным материалом, таким как песок, глинозем, зола или известняк, и подвешивается в камере сгорания путем продувки воздуха через слой топлива. Кипящий слой обеспечивает турбулентное перемешивание, способствующее полному сгоранию, и псевдосжиженный слой топлива ведет себя по существу как жидкость. В дополнение к улучшению процесса горения эти характеристики позволяют осуществлять горение при более низких температурах в диапазоне 800-900 C вместо обычных температур 1600-1900 C. Эта способность важна для возможности сжигания низкокачественного топлива, которое не способно поддерживать горение при высоких температурах.

Котлы с псевдоожиженным слоем могут сжигать топливо чисто, а более низкая температура сгорания приводит к снижению выбросов оксидов азота. Выбросы двуокиси серы также можно контролировать, вводя в слой топлива материалы, сорбирующие серу, такие как известняк. Это заставляет SO2 вступать в реакцию с сорбирующим материалом, образуя сульфат кальция, который представляет собой твердый материал, который можно удалить с золой. Используя эту реакцию, можно добиться сокращения выбросов SO2 до 90 %.