Допустимая предельная температура металлических рекуператорных теплообменников определяется жаростойкостью, а иногда и жаропрочностью применяемых марок стали. Жаростойкие металлы обладают стойкостью против появления окалины при температурах выше 500°С, работая в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Жаропрочные металлы пригодны для работы при высокой температуре в нагруженном состоянии с сохранением достаточной окалиностойкости. Для повышения жаростойкости стали обычно применяют алитирование, т.е. покрытие поверхности тонким слоем расплавленного алюминия. Алитированная сталь при температурах 700-800°С имеет втрое большую жаростойкость, чем углеродистая. Жаростойкость стали повышают хромовым легированием. При содержании хрома 17% допустимая температура металла составляет 800-850°С.
Интенсивность теплоотдачи и потери давления в трубчатых теплообменниках зависят от скорости теплоносителя. В энергетике России оптимальными считаются скорости газа 5-8 м/с при продольном и 2-3 м/с при поперечном обтекании шахматных и коридорных трубных пучков.
Получила распространение схема змеевикового конвективного трубчатого рекуператор, которая отличается малой металлоемкостью, хорошей газоплотностью, беспрепятственным температурным удлинением змеевиков.
Котлы-утилизаторы
Для установок большой мощности оптимальной является утилизация теплоты отходящих газов в производстве электроэнергии. Рассматривались варианты применения для этих целей воздушных турбинных установок, в которых сжатый компрессором воздух нагревался бы в теплообменнике отходящими газами. Однако такие установки имели бы очень низкий КПД – на уровне 20-25%. Эффективнее оказались паротурбинные установки (ПТУ). Принципиальная схема паротурбинной установки на теплоте отходящих газов представлена на рис. 4.1.
Рисунок 4.1 – Схема паротурбинной установки на теплоте отходящих газов
1 – рабочая камера; 2 – горячая ступень рекуператора; 3 – котел-утилизатор; 4 – пароперегреватель; 5 – турбина; 6 – электрогенератор; 7 – конденсатор; 8 – нижняя ступень рекуператора
Отходящие газы из рабочей камеры технологической установки 1 (например, из конвертора сталелитейного цеха металлургического завода) нагревают и испаряют питательную воду котла-утилизатора (КУ) 3. Водяной пар перегревается в пароперегревателе 4 и поступает в паровую турбину 5. Из конденсатора 7 питательная вода возвращается в котел.
Воздух, подаваемый в рабочую камеру, подогревается в нижней 8 и верхней 2 ступенях рекуператора.
При высоких температурах отходящих газов (более 900°С) КУ оборудуются радиационными (экранными) поверхностями нагрева и имеют такую же компоновку, как и обычные паровые котлы, но без воздухоподогревателя. По аналогии с обычными котлами радиационная камера КУ называется топкой; в ней происходит первое радиационное охлаждение отходящих газов. Первичное охлаждение газов в топке необходимо для затвердевания уносимых из технологической установки, выдающей отходящие газы, расплавленных частиц шлака или других продуктов, чтобы они не прилипали к холодным змеевикам. В топке могут дожигаться горючие компоненты газов. КУ имеют все детали обычных котлоагрегатов: экраны, барабаны, пароперегреватели, водяные экономайзеры.
При проектировании КУ на данный вид вторичного энергоносителя приходится учитывать содержащиеся в отходящих газах агрессивные компоненты. При температуре отходящих газов ниже 900°С используются только конвективные змеевики-теплообменники.
Наибольшее распространение среди низкотемпературных КУ получили котлы с многократной принудительной циркуляцией (КУ с МПЦ). Такие котлы при малых и меняющихся нагрузках имеют решающее преимущество перед обычными для топочных котлов конструкциями с естественной циркуляцией теплоносителя. Схема КУ с МПЦ представлена на рис. 4.2.
Питательная вода, подогретая в экономайзере 5, подается в барабан 3. Циркуляционный насос 2 прокачивает воду через испарительные змеевики 4. Пароводяная смесь возвращается в барабан. Отсепарированный пар поступает в пароперегреватель 1, установленный в горячей входной части газового тракта, и затем направляется в турбину. Испарительные змеевики разбивают на несколько параллельно включенных секций, чтобы уменьшить их гидравлическое сопротивление. Кратность циркуляции в таких котлах составляет 2,5-4. Каждый котел снабжается двумя циркуляционными насосами – рабочим и резервным, которые питаются от раздельных трансформаторных подстанций.
Рисунок 4.2 – Схема котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией
1 – пароперегреватель; 2 – циркуляционный насос; 3 – барабан; 4 – испарительные змеевики; 5 - экономайзер
КУ, работающие на низкотемпературных отходящих газах (
=550-650°С), имеют КПД на уровне 60-65%, тогда как КПД топочных котлов в наше время превышает 90%. При температурах греющих газов, характерных для котлов-утилизаторов, главную роль играет конвективный теплообмен. Для его интенсификации нужно увеличивать скорость обтекания труб, соответственно возрастает мощность, потребляемая дымососом. В низкотемпературных КУ целесообразно уменьшать диаметр труб (до 20-30 мм при поперечном обтекании, до 50 мм – при продольном). Такие котлы-утилизаторы используются в основном для покрытия производственно-отопительной тепловой нагрузки.
Для использования теплоты низкотемпературных газов могут использоваться также котлы газотрубного типа, в которых отходящие газы текут со скоростью 6-8 м/с по трубам диаметра 50-60 мм. Вода заполняет цилиндрический корпус, образующийся пар собирается в сепарационном барабане и затем направляется в пароперегреватель, расположенный во входной части газового тракта. Газотрубные котлы компактны, они отличаются простотой в обслуживании и в отношении требований к питательной воде. Однако они обеспечивают низкое давление пара (до 2 МПа) по условию прочности корпуса, а также имеют большую металлоемкость (примерно в полтора раза выше по сравнению с котлами типа МПЦ при одинаковой мощности и одинаковых параметрах пара).
Высокотемпературные котлы-утилизаторы на отходящих газах имеют свои особенности. В частности, в цветной металлургии такие котлы устанавливают за плавильными и другими печами. Отходящие газы этих печей имеют температуру 1200-1300°С и содержат до 40 г/м3 уноса, жидкого, твердого и парообразного. Чтобы предотвратить шлакование элементов котла, в теплоиспользующую установку приходится включать камеру радиационного охлаждения отходящих газов до температуры 800-850°С.
В этой камере гранулируется твердый и жидкий унос. В радиационной части устанавливается сепаратор крупных фракций уноса. В конвективной части предусматривается повышенная скорость газов, что обеспечивает их самообдувку от отложений.
Использование теплоты высокотемпературных отходящих газов сталеплавильных кислородных конверторов на заводах черной металлургии осложняется присутствием в этих газах горючего компонента – оксида углерода 
. Отходящие газы имеют высокую запыленность – до 170 г/м3, их температура изменяется от 1400 до 1700°С. Вместе с тем использование их теплоты весьма выгодно, на каждую тонну чугуна экономится до 35 кг условного топлива. В современных котлах-утилизаторах на конверторных газах применяется дожигание горючей составляющей отходящих газов, система газоочистки включает скрубберы и электрофильтры, в установку включен паровой аккумулятор, позволяющий обеспечить непрерывную работу паровой турбины при циклическом характере конверторов.
Котлы-утилизаторы башенной компоновки серии КГТ предназначены для утилизации теплоты выхлопных газов газовых турбин и используются в парогазовых установках. Эти котлы имеют конвективные поверхности нагрева со спиральным оребрением. Температура отработавших в газовой турбине газов составляет 400-520°С, параметры перегретого пара на выходе из КУ: давление 1,6-4,0 МПа, температура 330-450°С. Благодаря утилизации теплоты газовой турбины, парогазовая установка имеет КПД на уровне 60% – выше, чем самые совершенные паротурбинные на сверхвысоких параметрах пара.
Емким источником ВЭР являются нефтенасосные и газоперекачивающие станции на магистральных нефте- и газопроводах. Для привода насосов и компрессоров используются дизели и газотурбинные установки средней мощности, отходящие газы в которых имеют температуру 350-400°С. Выпускают котлы-утилизаторы, которые используют эти отработавшие газы: вырабатывается пар с давлением от 0,6 до 1,3 МПа, температурой 164-330°С.
Сходное с котлами-утилизаторами устройство имеют энерготехнологические котлы, предназначенные для сжигания газообразных и жидких продуктов ряда химических производств с целью их обезвреживания, а иногда и получения определенных попутных веществ. Так, утилизируются черные щелоки в сульфатно-целлюлозном производстве, в результате сокращаются выбросы в атмосферу соединений серы. Сероводородный газ и жидкая расплавленная сера используются в качестве топлива в сернокислотном производстве. Нитрозные газы сжигаются при производстве азотной кислоты, технический водород – при получении нейтрального газа.
В энерготехнологических котлах вырабатывается пар с давлением до 4,0 МПа или вода для систем отопления с температурой 140°С и давлением 1,0 МПа.
Широкая номенклатура котлов-утилизаторов и энерготехнологических котлов практически для всех отраслей промышленности позволяет не только сберегать ценные энергоносители, но и улучшать экологическую обстановку в городах и промышленных районах.
4.3. Использование теплоты испарительного
охлаждения
К энергетическим установкам, работающим на теплоте отходящих газов, близко примыкают системы использования теплоты принудительного охлаждения. В высокотемпературных печах стенкам передаются тепловые потоки в сотни кВт/м2. Для сохранения огнеупорной футеровки печи от растрескивания и выкрашивания под влиянием термических напряжений применяется интенсивное охлаждение. В футеровку печи заделываются металлические кессоны, через которые прокачивается вода или пароводяная смесь с содержанием пара до 20% по массе, так что на стенках кессона еще обеспечивается пузырьковое кипение и высокая интенсивность отвода теплоты. Отвод теплоты при испарительном охлаждении определяется соотношением:
, кВт, (4.5)
где 
– паропроизводительность, кг/с, 
– прирост энтальпии пара (примерно 2200 кДж/кг).
Схема использования теплоты испарительного охлаждения представлена на рис. 4.3.
Рисунок 4.3 – Схема испарительного охлаждения:
1 – рабочая камера; 2 – испарительный теплообменник; 3 – питательный насос; 4 – циркуляционный насос; 5 – барабан-сепаратор; 6 – пар на турбину
Теплота технологической установки (например, плавильной камеры 1) передается трубам испарительного охлаждения 2. Пароводяная смесь поступает в барабан-сепаратор 5 котла-утилизатора. Пар направляется по паропроводу 6 в турбину, жидкая фракция возвращается циркуляционным насосом 4 в испарительный теплообменник. Убыль жидкой фракции компенсируется питательным насосом 3.
Системы испарительного охлаждения могут работать как с принудительным движением пароводяной смеси по схеме МПЦ (см. рис. 4.2), так и при естественной циркуляции с котлами типа Е. Системы испарительного охлаждения на крупных предприятиях объединяются с системами утилизации теплоты отходящих газов в одну комплексную систему повышенного давления по схеме МПЦ. Элементы системы испарительного охлаждения для мартеновских, доменных, методических печей выполняются из стальных труб малого диаметра, соединенных в кессоны нужной конфигурации.
Расчетная нагрузка отвода теплоты в наиболее ответственных высокотемпературных элементах систем принудительного охлаждения плавильных печей может достигать 600 кВт/м2, что превышает нагрузку топочных экранов современных котлоагрегатов. Столь большая величина тепловых потоков объясняется концентрацией на этих элементах мощных лучистых потоков от высокотемпературного факела и раскаленных масс металла и шлака.
Температура тепловоспринимающей металлической стенки (для простоты считаем ее плоской) определяется соотношением:
, °С, (4.6)
где 
– температура пароводяной смеси, °С; 
– отводимый тепловой поток, кВт/м2; 
– коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю, кВт/м·К; м 
– толщины слоев металла и накипи, м; 
– коэффициенты теплопроводности металла и накипи, кВт /(мК).
Анализ выражения (4.6) показывает, что при испарительном охлаждении необходимо обеспечивать безнакипный режим работы теплообменника. Действительно, при средней теплопроводности слоя накипи на уровне 
=1 Вт/(мК) его толщина в 1 мм вызывает температурный перепад в 500°С, что переводит металл в недопустимую область ползучести. Требуется соответствующее качество питательной воды. Необходимо также предотвращать застой пароводяной смеси и образование паровых пробок, когда выпадают все растворенные в воде соли.