Kazánok Kazánnak nevezzük azt a berendezést, amely tüzelőanyag oxidációjával, vagyis elégetésével felszabadítja a tüzelőanyag kötött kémiai energiáját, és a keletkezett hőt hőhordozó közeg felmelegítésével vagy halmazállapotának megváltoztatásával hasznosítja.
Hőigények csoportosítása és jellemzőik
Helyiség fűtés A különböző célú helyiségekben más és más. Néhány jellemző példa: Tároló, raktárhelyiség 0-5 °C Lépcsőház, közlekedő 16 °C Tornaterem, üzemcsarnok 10 °C Hálószoba 20 °C Nappali szoba, iroda 20-22 °C Fürdőszoba 24 °C Uszoda 26-30 °C
Használati melegvíz (HMV) Mosdáshoz, fürdéshez, mosáshoz, mosogatáshoz megfelelő hőmérsékletű folyóvíz biztosítása40-50 °C a kifolyásnál
Technológiai hőellátás 30-2000 °C között a legváltozatosabb igények, az adott technológiának megfelelően.
Munkavégzés - villamosenergia termelés A konstrukció és a beépített anyagok adta korlátokon belül a lehető legmagasabb, a minél magasabb hatásfok érdekében.
Hőhordozó közegek, jellemzőik és főbb alkalmazási területeik
Égéstermék, hétköznapi használatban füstgáz Jellemzők:
a füstgáz önmaga is lehet hőhordozó közeg, magas hőmérséklet, alacsony fajlagos hőkapacitás, nagy térfogatáram mérgező, toxikus és környezetkárosító komponensek
Alkalmazási területek: Kohászatban elterjedten használt, mivel 1000 °C körüli, vagy ennél is magasabb hőmérsékletet más hőhordozó közeggel gyakorlatilag nem lehet elérni. A mezőgazdaságban ill. faiparban olyan nagy nedvességtartalmú anyagok szárítására használják, amelyek nem takarmányozási és főleg nem élelmezési célt szolgálnak, mivel toxikus anyagok kerülhetnek a szárított anyagba.
Levegő Jellemzők:
alacsony fajlagos hőkapacitás, nagy térfogatáram
Alkalmazási területek: Ipari technológiákban szárításra használják (élelmiszerekhez és takarmányokhoz is). Fűtésre az egyre terjedő légfűtési rendszerekben. A levegőt fűtésre használni előnytelen más hőhordozóval összehasonlítva, azonban egy a klimatizálásra kiépített légtechnikai rendszerrel a fűtés is megoldható. (A levegőt legtöbbször nem közvetlen füstgáz/levegő léghevítővel melegítik, hanem más, pl. víz vagy gőz munkaközeg közbeiktatásával.)
Víz – melegvíz Jellemzők: Hőmérséklet t<115 °C , Nyomás min. 0,5-1,0 bar-ral magasabb, mint a maximális hőmérséklethez tartozó telítési nyomás Alkalmazási területek: Helyiség fűtés, használati melegvíz készítés és 100 °C alatti technológiai hőigények általánosan használt közvetítő közege. A hagyományosan elterjedt az ún. 90/70 °C-os rendszer. Újabban elterjedőben vannak a 70/55 °C-os és az 50/40 °C-os rendszerek, amelyekkel magasabb kazán- és hőellátási hatásfok érhető el, viszont egyre nagyobb hőleadó felületek szükségesek.
Víz – forróvíz Jellemzők: Hőmérséklet t >115 °C Nyomás min. 0,5-1,0 bar-ral magasabb, mint a maximális hőmérséklethez tartozó telítési nyomás Alkalmazási területek: Főként távfűtések hőszállító közege. A magasabb hőmérsékletek miatt nagyobb hőmérsékletkülönbség engedhető meg, ami által csökken a keringetett tömegáram. A rendszer legfőbb jellemzője itt is a két szélső hőmérséklet érték, pl.: 130/80 °C-os, ill. 160/110 °C-os rendszer.
Gőz – telített Jellemzők: A vízgőz, nagy párolgáshője miatt, nagy hőmennyiséget szállít. A gőzös kazánüzem veszélyesnek minősül, Alkalmazási területek: 100 °C feletti technológiai hőigények kiszolgálásának jellemző hőhordozó közege, különösen ott, ahol az állandó meghatározott hőmérséklet melletti hőátadás lényeges. Helyiség fűtésre régebben általánosan használták. A melegvízfűtéssel összehasonlítva kb. 40-50%-kal kisebb hőleadó felülettel biztosítható volt a megfelelő fűtés. Viszont a fűtési rendszer veszteségei sokkal nagyobbak, és a rendszer szabályozhatósága is sokkal rosszabb, emiatt ma nem jellemző.
Gőz – túlhevített Jellemzők: Túlhevítéssel főként a vízgőz munkavégző képessége növelhető, aminek a szerkezeti anyagok melegszilárdsága szab határt. Manapság ez 550-630 °C. Alkalmazási területek: A túlhevített gőzt jellemzően a villamosenergia termelés, ill. mechanikai teljesítmény szolgáltatás érdekében turbina, gőzgép és gőzmotor hajtására használják.
Termoolaj (hőközlő olaj) Jellemzők: Kifejezetten hőhordozó közeg funkcióra kifejlesztett kőolajtermék, amely folyadék fázisban 300-350 °C-ig hevíthető, környezeti, vagy ahhoz közeli nyomás mellett. Az alacsony nyomás miatt mérsékelten veszélyes, a gőzüzemhez képest enyhébb biztonsági előírásokkal rendelkezik. Alkalmazási területek: Kifejezetten magas hőmérsékletigényű technológiai hőellá- táshoz használják, relatív alacsony teljesítményszint esetén, ahol a hőmérsékletszintnek megfelelően magas nyomású (50-100 bar-os) gőzös kazántelep kialakítása gazdaságtalan
lenne. Továbbá fagyveszélynek kitett helyeken is alkalmazzák, (pl. aszfaltkeverő telepek), ahol télen üzemen kívül nem kell külön fagymentesítésről gondoskodni.
Kazánok osztályozása
Alkalmazott hőhordozó közeg szerint - füstgáz - levegő - víz
• melegvíz / forróvíz
- gőz
• telített / túlhevített
- termoolaj
Hőhasznosító konstrukció szerint - nagy(víz)terű • lángcsöves, füstcsöves - (víz)csöves - egyéb • öntöttvastagos • lemeztáskás Hőhasznosító oldali áramlástípus szerint -
természetes cirkulációs
-
serkentett cirkulációs
-
kényszerátáramlású
Füstgázoldali nyomás szerint -
depressziós - korábban általánosan alkalmazott
-
túlnyomásos
Kazán funkcionális részei
Tüzelőberendezés Alapvető funkciója az égés, mint oxidációs folyamat megindítása és lefolytatása.
Tűztér – tüzelőtér A tűztérnek a reakcióteret nevezzük, ahol az égés, vagyis a kémiai reakció lezajlik. A tűzteret általában körülveszi a hőátadó rész, így a tűztér része a hőhasznosítónak is. Tűztéri nyomásviszonyok: Depressziós: Ebben az esetben a tűztérnyomásnak mindenkor a környezeti levegőnyomás alatt kell lennie. A depressziót a kéményhuzat, vagy füstgázventilátor biztosíthatja. Túlnyomásos: a tűztérben a környezetinél magasabb nyomás uralkodik
Égéslevegő ellátás Természetes: Erre csak depressziós tűztér esetében van lehetőség. Az égéslevegő a megfelelő keresztmetszetű nyílásokon keresztül, a környezetinél alacsonyabb nyomás hatására áramlik a tűztérbe. Mesterséges: Ebben az esetben a levegőt mesterségesen, ventilátorok segítségével vezetjük a tűztérbe
Tisztítás A keletkező hamut, salakot és pernyét rendszeresen, a hamukihordás típusától függően szakaszosan, vagy folyamatosan el kell távolítani a kazánból.
Hőhasznosító A hőhasznosító rész feladata az égés során végbemenő kémiai reakciók által felszabadított hőmennyiség hasznosítása. Az égés befejeződése után a felszabadult hő a füstgázban marad. A cél a füstgáz minél jobb lehűtése, a hőhordozó közeg felmelegítésével, illetve esetenként az égéslevegő előmelegítése által is. A hőhasznosító egy megfelelően kialakított hőcserélő a fenti feladat ellátására.
Elpiszkolódás Jól beállított gáz- és olajtüzelés kivételével minden más esetben a füstgáz magával visz többkevesebb szilárd részecskét, amelyek a felületeken lerakódhatnak, lerontva ezzel a hőcserélő hatásfokát, és lezárva a füstgázkeresztmetszet egy részét. Gondoskodni kell a felületek tisztíthatóságáról, illetve öntisztulásáról.
Füstgáz kondenzáció A füstgázban a tüzelőanyag fajtától függően több-kevesebb vízgőz található, valamint a különböző oxidok a vízgőzzel reagálva savakat képeznek. A füstgázban a kondenzáció általában 120140°C-os hőmérsékleten kezdődik meg.
Fűtőfelületek elrendezése legkedvezőbb megoldás az ellenáramú kapcsolás, illetve elrendezés.
Tisztítás A kazánok hőhordozó közeg oldalát is tisztán kell tartani. Leiszapolásnak a kazán alsó részéből szakaszos kazánvíz elvezetést nevezik.
Kiegészítő, segédberendezés rendszerek
Tüzelőanyag előkészítő és ellátó rendszer Ezen rendszer feladata a tüzelőanyag esetleges tárolása, illetve ellátórendszerhez való kapcsolódás biztosítása, valamint a tüzelési teljesítménynek megfelelő tüzelőanyagmennyiség tüzelőberendezéshez juttatása, továbbá az alkalmazott tüzelőberendezéstől függően a tüzelőanyagnak a tüzeléshez való részleges, vagy teljes előkészítése.
Füstgáz tisztító berendezések Legelterjedtebbek a szálló pernye leválasztására beépített szilárdanyag leválasztók.
Füstgázelszívó ventilátor
Hőhordozó közeg rendszer
Keringető-/tápszivattyú
Gőzkazánok esetében ezt tápszivattyúnak hívják, amely - mint neve is mutatja - a gőztermelésnek megfelelő mértékben táplálja a vizet a kazánba.
Puffer-/táptartály A hőhordozó közeg rendelkezésreállásáról és a kazánba táplálhatóságáról gondoskodik.
Hőhordozó közeg előkészítő rendszer A minimális előkészítés a szűrés, vagyis a mechanikus szennyeződések eltávolítása.
KAZÁNKONSTRUKCIÓK Kiskazánok: 300 kW alatti teljesítménytartományban, lakások, családi házak, csaknem minden esetben melegvizes rendszerűek, (p=2-3 bar), (általában tmax <90 °C)
Néhány jellemző konstrukció: -
Bordázott rézcsőből kialakított hőhasznosító: fali kazánok (cirkogejzír)
-
Öntöttvas tagos elemekből felépülő hőhasznosító: Egy alapelem felhasználásával a tag darabszám variálásával különböző teljesítményű kazánok készíthetők. Robosztus konstrukció, korróziónak jól ellenálló. A jó korrózióállóság miatt ez az ún. kondenzációs kazánok legjellemzőbb hőhasznosító konstrukciója.
-
Hegesztett acéllemez kazánok: Az alacsony üzemnyomás miatt sík oldalfalakkal rendelkező konstrukciók is megfelelőek. Így találkozhatunk ún. lemeztáskás hőhasznosító konstrukciókkal.
Nagyvízterű, lángcsöves-füstcsöves kazánok A maximális üzemnyomás pmax=20 bar, vagy ez alatt van. A maximális teljesítmény egy lángcső esetén Q=20 MW, ikerlángcső alkalmazása esetén Q=30 MW körüli érték. Egyaránt használják melegvíz, forróvíz és gőzüzemre. Olaj- és gáztüzelésre kiválóan alkalmas.
-
Túlhevítők: A nagyvízterű gőzkazánokat általában túlhevítő nélkül építik, mivel a technológiai és kommunális hőellátás részére a hőszolgáltatás telített gőz formájában történik. A gőztávvezetéki kondenzveszteség csökkentése, valamint a kapcsolt energiatermelés terjedése miatt egyre inkább igényként merül fel a túlhevített gőzszolgáltatás.
-
Tápvízelőmelegítők: A megfelelően magas kazánhatásfok elérése gőzös üzem esetén szükségessé teszi a tápvízelőmelegítő beépítését.
-
Égéslevegő előmelegítés: Továbbá helyenként a kazán sugárzási veszteségét, vagyis a környezetnek átadott hőt is úgy csökkentik, hogy az égéslevegőt a kazánköpenyben áramoltatva vezetik az égőhöz. Ilymódon akár a hőszigetelés nagy része is megspórolható. Az égéslevegő előmelegítés előnyös lehet tüzelési szempontból nagy nedvességtartalmú szilárd tüzelés, pl. biomassza tüzelés, vagy hulladékmegsemmisítés esetén.
Vízcsöves kazánok Nagyobb nyomásra és teljesítményekre. A víz, vagy gőz a csövek belsejében áramlik, és a kazán tűzterét, valamint a füstgázjáratokat csövek sorozatából alkotott csőfalak határolják.
Hőhasznosító kazánok Kombinált ciklusú gáz/gőzturbinás erőművekben ún. hőhasznosító kazánokat (HRSG) alkalmaznak. Ezekben a kazánokban nincs tüzelés, legtöbb esetben a gázturbinákból távozó forró füstgázok energiáját hasznosítva termelnek gőzt.
KAZÁNOK ÜZEMVITELE, SZABÁLYOZÁSA Tüzelőanyag és égéslevegő arányszabályozás: A gazdaságos tüzelés és alacsony károsanyag kibocsátás elérése érdekében lényeges a mindenkori betáplált tüzelőanyagmennyiséghez igazodó, optimális légfeleslegtényezőt biztosító levegőmennyiség biztosítása. Meleg-/forróvizes, termoolajos és levegős kazán üzemi szabályozása: Ezeknél a rendszereknél nincs fázisváltás, csak hőhordozó közeg felmelegítése történik egy alacsonyabb hőmérsékletről egy magasabb hőmérsékletre.
A hasznos hőmennyiség a következő képlettel fejezhető ki:
A hőszolgáltatás teljesítményszabályozására alapvetően kétféle módszert alkalmaznak: -
Mennyiségi szabályozás esetén a hőhordozó közeg tömegáramát változtatják, a ki- és belépő hőmérsékletek állandó értéken tartása mellett.
-
Minőségi szabályozás
esetén a ki- és a belépő hőmérsékletet változtatják a tömegáram állandó értéken tartása mellett.
Kazán üzemvitel Teljesítményszabályozás: A kazán teljesítményszabályozása, azaz az eltüzelt tüzelő- anyagmennyiség szabályozása minden esetben a kazánból kilépő hőhordozó hőmérséklet segítségével történik. A kazánból kilépő hőmérséklet fix, vagy más jellemző (pl. külső levegő hőmérséklet) alapján szabályozott értékét kell a kazánszabályozásnak megadott tűrésen belül tartani. Biztonsági korlátok: Valamely jellemzőnek a megengedett tartományon kívülre kerülése esetén a berendezést le kell állítani. -
Maximális kilépő hőmérséklet: A szabályozási tartományon kívül eső túlhőmérséklet esetén a fűtőfelületek túlhevülésének elkerülése érdekében a berendezést le kell állítani.
-
Minimális belépő hőmérséklet: Ha a kazánberendezés nem füstgázkondenzációs üzemre lett tervezve, a füstgázkondenzáció működési zavarokat okozhat, így azt a minimális belépőhőmérséklet biztosításával el kell kerülni.
-
Nyomáshatárolás: A berendezés méretezési nyomásánál nagyobb nyomás alá kerülését meg kell akadályozni. A túlnyomás határolása általában mechanikus úton, ún. biztonsági szelep alkalmazásával történik.
-
Hőhordozóközeghiány határolás: A hőhasznosító berendezés hőfelvevő közeg nélkül maradását el kell kerülni, mivel ez a felületek túlhevülését és kiégését okozhatja.
Gőzkazán szabályozása
TÁP- ÉS PÓTVÍZELŐKÉSZÍTÉS Előnyök hőhordozó szempontból: -
nagy fajhő és párolgáshő
-
kémiailag stabil
-
relatív olcsó
-
nagy mennyiségben található a földön
Hátrányok hőhordozó közeg szempontból: -
nagyon jó poláros oldószer,
-
szilárd, folyékony és gáznemű anyagokat tud oldatban tartani
-
bizonyos anyagokkal reakcióba lépve az oldat semleges kémhatása megváltozhat (savas/lúgos)
-
fagyveszély léphet fel
Előkészítés -
Termikus lágyítás: Ezesetben a víz melegítésével bizonyos oldott sómolekulák disszociálnak, és vízben nem oldódó csapadék keletkezik, ami kiszűrhető.
-
Csapadékképző vízlágyítás: A vízhez adagolt vegyszer (mésztej, vagy trinátriumfoszfát) adagolásával az oldott sók reakcióba lépnek, és vízben nem oldódó csapadék keletkezik, ami a vízből kiszűrhető.
-
Részleges sótalanítás, vagy dekarbonizálás: A vízlágyításhoz hasonló ioncserélő anyagon eresztik át ebben az esetben is a vizet
-
Teljes sótalanítás: A kezelendő víz ilyen esetben savval regenerált kationcserélőn, majd lúggal regenerált anioncserélő gyantán halad keresztül. Így a vízben oldott sókból először savak keletkeznek, majd az anioncserélő leköti ezek anionjait és helyette hidroxil-aniont bocsát a vízbe, így igen nagy tisztaságú teljesen sómentes víz nyerhető.
-
Fordított ozmózisos eljárás (RO): Ha két oldatot egy ún. féligáteresztő hártya (mint pl. az élőlények sejtjeinek fala) választ el egymástól, oldószer, azaz vízmolekulák diffundálnak át a hártyán, hogy csökkentsék a két oldat közötti koncentrációkülönbséget, és hígítsák a sűrűbb oldatot. A diffúzió miatt a sűrűbb oldat nyomása növekszik. A folyamat mindaddig folytatódik, amíg ki nem alakul az egyensúlyi állapot. 1 mol/l koncentráció különbség 22.4 bar ozmotikus nyomást hoz létre. Ha a sűrűbb oldat nyomását megemeljük az ozmotikus nyomás fölé, a vízmolekulák a sűrűbb oldatból a hígabb oldat felé fognak diffundálni.
-
Gáztalanítás: A gáztalanításra a legelterjedtebb megoldás az ún. termikus gáztalanítás, amely során a tápvizet ~105 °C körüli hőmérsékletre melegítik, és speciális porlasztókon vezetik át.
KÁROSANYAG EMISSZIÓ ÉS KÖRNYEZETTERHELÉS CSÖKKENTÉSE
Széndioxid (CO2): mennyiség csökkentése csak a berendezések és a hőtermelés hatásfokának javításával, illetve a hőigények csökkentésével érhető el.
Elégetlen gázok (CO, CxHz): Megfelelő tüzelőberendezéssel és megfelelő beállítással értékük minimális értéken tartható.
Szilárd anyag (pernye, szállókoksz, korom): A koksz és koromképződés megfelelő tüzelésbeállítással elkerülhető, vagy minimális értéken tartható. A pernye kijutását általában leválasztó berendezés beépítésével oldják meg. Erre azonban csak szilárd tüzelőanyag esetében van szükség.
Kén-dioxid, kén-trioxid (SO2, SO3): csökkentése füstgázmosó berendezéssel oldható meg, kísérleteznek mészpor tűztérbe adagolásával égési reakció közben megkötni a ként.
Nitrogén oxidok (NOx) Minél magasabb a hőmérséklet a tűztérben, annál több nitrogénoxid található a füstgázban. Csökkentésére többféle módszer is használatos. Az “NOx szegény” égő, egy olyan speciális tüzelőberendezés, ahol az égéslevegő lépcsőzetes hozzávezetésével, a keveredési viszonyok alakításával olyan viszonyokat hoznak létre a tűztérben, amely meggátolja a magas hőmérsékletgócok kialakulását. A tűztér térfogati terhelésének alacsonyabb értéken tartásával, a tűztéri hőleadás növelésével szintén csökkenthető a tűztérhőmérséklet bizonyos mértékig. Füstgáz recirkuláció alkalmazásával szintén csökkenthető a tűztérhőmérséklet. A kibocsátott nitrogénoxidok mennyisége katalizátorral is csökkenthető, (úgy, mint gépkocsik esetén). Azonban a katalizátorok optimális üzemi hőmérséklete 300-400 °C között található. Ez speciális kazánkonstrukciót igényel, hagyományos kazánkonstrukcióhoz általában nem illeszthető, továbbá költséges berendezés.
