Топливо и основы теории горения. Конструкции топок.

Конструкции различных топок

Топочным устройством или топкой называют часть котельного агрегата, которая предназначена для сжигания топлива и выделения химически связанного в нем тепла. Вместе с тем топка является теплообменным устройством, в котором поверхностям нагрева отдается излучением часть тепла, выделившегося при горении топлива. Кроме того, при сжигании твердого топлива в топке выпадает некоторая часть образующейся золы.

В соответствии с видом сжигаемого топлива различают топки для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Кроме того, есть топки, в которых одновременно можно сжигать различные виды топлива: твердое с жидким или газообразным, жидкое и газообразное.

Существуют три основных способа сжигания топлива: в слое, факеле и вихре (циклоне). В соответствии с этим топки разделяют на три больших класса: слоевые, факельные и вихревые. Факельные и вихревые топки часто объединяют в общий класс камерных топок.

Рис. 2. Классификация слоя при сжигании твердого топлива: а – плотный слой; б – «кипящий» слой; в и г – взвешенный слой (гетерогенные факелы)

В слое топливо сжигают под котельными агрегатами паропроизводительностью до 20-35 т/ч. В слое можно сжигать только твердое кусковое топливо, например: бурые и каменные угли, кусковой торф, горючие сланцы, древесину. Топливо, подлежащее сжиганию в слое, загружают на колосниковую решетку, на которой оно лежит плотным слоем. Горение топлива происходит в струе воздуха, пронизывающего этот слой обычно снизу вверх.

Топки для сжигания топлива в слое разделяют на три класса (рис. 3):

1 – топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива (рис. 3, а и б);

2 – топки с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива (рис. 3, в, г);

3 – топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива (рис. 3, д, е, ж).

Рис. 3. Схемы топок для сжигания топлива в слое: а – ручная горизонтальная колосниковая решетка; б – топка с забрасывателем на неподвижный слой; в – топка с цепной механической решеткой; г – топка с механической цепной решеткой обратного хода и забрасывателем; д – топка с шурующей планкой; е – топка с колосниковой решеткой; ж – топка системы Померанцева

Самой простой топкой с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива является топка с ручной горизонтальной колосниковой решеткой (рис. 3, а). На этой решетке можно сжигать твердое топливо всех видов, но необходимость ручного обслуживания ограничивает область применения ее в котлах очень малой паропроизводительности (до 1-2 т/ч).

Для слоевого сжигания топлива под котлами большей паропроизводительности механизируют обслуживание топки и прежде всего – подачу в нее свежего топлива.

В топках с неподвижной решеткой и неподвижным слоем топлива механизация загрузки осуществляется применением забрасывателей 1, которые непрерывно механически загружают свежее топливо и разбрасывают его по поверхности колосниковой решетки 2 (рис. 3, б).

К классу топок с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива, относят топки с механической цепной решеткой (рис. 3, в), которые выполняют в различных модификациях. В этой топке топливо из загрузочной воронки 1 поступает самотеком на переднюю часть медленно движущегося бесконечного цепного колосникового полотна 2, которым оно подается в топку.

Топки с цепной решеткой чувствительны к качеству топлива. Лучше всего они подходят для сжигания сортированных неспекающихся умеренно влажных и умеренно зольных углей с относительно высокой температурой плавления золы и выходом летучих веществ УГ = 10-25% на горючую массу.

В таких топках можно также сжигать сортированный антрацит. Для работы на спекающихся углях, а также на углях с легкоплавкой золой топки с цепной решеткой непригодны. Эти топки можно устанавливать под котлами паропроизводительностью от 10 до 150 т/ч, но в России их устанавливают под паровыми котлами паропроизводительностью 10-35 т/ч главным образом для сжигания сортированного антрацита.

Для сжигания топлива большой влажности, в частности кускового торфа, цепную решетку комбинируют с шахтным предтопком, который нужен для предварительной сушки топлива. Самой распространенной шахтно-цепной топкой является топка проф. Т. Ф. Макарьева.

Другим типом топки рассматриваемого класса являются топки с цепной решеткой обратного хода и забрасывателем. В этих топках колосниковое полотно решетки движется в обратном направлении, т. е. от задней стенки топки к передней. На фронтальной стене топки размещены забрасыватели, непрерывно подающие топливо на полотно.

Выгоревший шлак ссыпается с решетки в шлаковый бункер, размещенный под передней частью топки. Топки рассматриваемого типа значительно меньше чувствительны к качеству топлива, чем топки с решеткой прямого хода, поэтому их применяют для сжигания как сортированных, так и не сортированных каменных и бурых углей под котлами паропроизводительностью 10-35 т/ч.

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива основаны на различных принципах организации процессов движения и горения топлива. В топках с шурующей планкой топливо перемещается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки специальной планкой особой формы, движущейся возвратно-поступательно по колосниковому полотну.

Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч. Разновидностью топки с шурующей планкой является факельно-слоевая топка системы проф. С. В. Татищева, получившая применение для сжигания фрезерного торфа под котлами паропроизводительностью до 75 т/ч.

Она отличается от обычной топки с шурующей планкой наличием шахтного предтопка, в котором происходит предварительная подсушка фрезерного торфа дымовыми газами, засасываемыми в шахту специальным эжектором. В этой топке можно также сжигать бурые и каменные угли.

В топках с наклонной колосниковой решеткой и скоростных топках системы В. В. Померанцева топливо, поступив в топку сверху, при сгорании сползает под действием силы тяжести в нижнюю часть топки, позволяя поступать в топку новым порциям топлива. Эти топки применяют для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью от 2,5 до 20 т/ч, а шахтные топки и для сжигания кускового торфа – под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч.

В связи с особенностями топливного баланса России, в котором используют в основном каменные и отчасти бурые угли, больше всего распространены топки с забрасывателями и механические цепные решетки. Топки же, предназначенные для сжигания торфа, сланцев и древесины, распространены значительно меньше, так как топливо этих видов в топливном балансе России играет второстепенную роль.

В факельном процессе можно сжигать топливо твердое, жидкое и газообразное. При этом:

– газообразное топливо не требует какой-либо предварительной подготовки;

– твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в особых пылеприготовительных установках, основным элементом которых являются углеразмольные мельницы; 

– жидкое топливо должно быть распылено на очень мелкие капли в специальных форсунках.

Жидкое и газообразное топливо сжигают под котлами любой паропроизводительности, а пылевидное топливо – под котельными агрегатами паропроизводительностью начиная от 35-50 т/ч и выше.

Сжигание в факельном процессе топлива каждого из трех видов отличается конкретными особенностями, но общие принципы факельного способа сжигания остаются одинаковыми для всякого топлива.

Факельная топка (рис. 4) представляет собой прямоугольную камеру 1, выполненную из огнеупорного кирпича, в которую через горелки 2 вводят в тесном контакте топливо и воздух, необходимый для его горения, то есть топливо-воздушную смесь. Эта смесь воспламеняется и сгорает в образовавшемся факеле.

Газообразные продукты сгорания покидают топку в ее верхней части. При сжигании пылевидного топлива с этими продуктами сгорания в газоходы котла уносится и значительная часть золы топлива, а остальное количество золы выпадает в нижнюю часть (шлаковую воронку) топки в виде шлака.

Рис. 4. Схемы камерных топок: a – однокамерная топка для пылевидного топлива с твердым шлакоудалением; б – однокамерная топка для пылевидного топлива с жидким шлакоудалением; в – топка для жидкого и газообразного топлива; г – топка с полуоткрытой топочной камерой для сжигания пылевидного топлива

Стены топочной камеры изнутри покрывают системой охлаждаемых водой труб – топочными водяными экранами. Эти экраны имеют назначение предохранить кладку топочной камеры от износа и разрушения под действием высокой температуры факела и расплавленных шлаков, но главное – они представляют собой эффективную поверхность нагрева, воспринимающую большое количество тепла, излучаемого факелом. Поэтому эти топочные экраны становятся очень эффективным средством охлаждения дымовых газов в топочной камере.

Факельные топки для пылевидного топлива разделяют на два класса по способу удаления шлака: а) топки с удалением шлака в твердом состоянии; б) топки с жидким шлакоудалением.

Камера 1 топки с удалением шлака в твердом состоянии (рис. 4, а) ограничена снизу шлаковой воронкой 3, стенки которой защищены экранными трубами. Эта воронка получила название «холодной». Капли шлака, выпадающие из факела, попадая в эту воронку, вследствие относительно низкой температуры среды в ней затвердевают, гранулируясь в отдельные зерна.

Камера 1 топки с жидким шлакоудалением (рис. 4, б) ограничена снизу горизонтальным или слегка наклонным подом 3, вблизи которого в результате тепловой изоляции нижней части топочных экранов поддерживают температуру, превышающую температуру плавления золы.

Топки с жидким шлакоудалением разделяют на одно- (рис. 4, б) и двухкамерные для крупных котлов (рис. 4, г). В последних топочная камера разделена на две камеры:

1 – камеру горения, в которой происходит горение топлива;

2 – камеру охлаждения, в которой продукты сгорания охлаждают.

Экраны камеры горения покрывают тепловой изоляцией, чтобы

максимально повысить температуру горения с целью более надежного получения жидкого шлака, а экраны камеры охлаждения – открытыми, чтобы они могли больше снизить температуру продуктов сгорания.

Факельные топки для жидкого и газообразного топлива (рис. 4, в) выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом.

В очень крупных котельных агрегатах наряду с топочными камерами призматической формы выполняют так называемые полуоткрытые камеры, которые характеризуются наличием особого пережима, разделяющего топку на две зоны: горения и охлаждения. Полуоткрытые камеры выполняют для сжигания пылевидного (рис. 4, г), жидкого и газообразного топлива.

Факельные топки можно также классифицировать по типу горелок, которые бывают прямоточными и завихривающими, и по расположению горелок в топочной камере. Горелки размещают на передней (рис. 4) и боковых стенах ее и по углам топочной камеры (рис. 4). В крупных котельных агрегатах возможно применять также встречное размещение горелок на передней и задней стенах топки (рис. 4, г).

В вихревых (циклонных) топках можно сжигать твердое топливо и с высоким содержанием летучих, измельченное до пылевидного состояния или до размеров зерна 4-6 мм, а также (пока редко) мазут.

Принцип работы циклонной топки заключается в том, что в почти горизонтальном (рис. 5, а) или в вертикальном цилиндрическом предтопке 1 небольшого диаметра создается газо-воздушный вихрь, в котором частицы горящего топлива многократно обращаются до тех пор, пока они не сгорают почти полностью во взвешенном состоянии.

Рис. 5. Схемы циклонных топок: а – топка с горизонтальными циклонными предтопками; б – топка с вертикальными циклонными предтопками

Продукты сгорания из предтопков при сжигании твердого топлива поступают в камеру дожигания 2, а из нее – в камеру охлаждения 3 и далее в газоходы котельного агрегата. Шлак из предтопков удаляется в жидком виде через летки 5, причем для увеличения количества уловленного шлака между камерой дожигания и камерой охлаждения или между циклонными предтопками и камерой дожигания устанавливают шлакоулавливающий пучок труб 4.

При сжигании мазута, а иногда и измельченного твердого топлива камеры дожигания не делают и продукты сгорания выводят непосредственно из предтопков в камеру охлаждения. Циклонные топки применяют в котельных агрегатах относительно высокой паропроизводительности.

Кроме перечисленных выше трех основных способов сжигания топлива, существуют еще некоторые промежуточные способы.

3. Температура горения

В теплотехнике различаются следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и действительную (расчетную). Жаропроизводительность tж — максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха α = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:

tж = Qн /(ΣVcp) (8.11)

где Qн — низшая теплота сгорания газа, кДж/м3; ΣVcp — сумма произведений объемов диоксида углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 м3 газа (м3/м3), и их средних объемных теплоемкостей при постоянном давлении в пределах температур от 0°С до tж (кДж/(м3•°С).

В силу непостоянства теплоемкости газов жаропроизводительность определяется методом последовательных приближений. В качестве начального параметра берется ее значение для природного газа (≈2000°С), при α = 1,0 определяются объемы компонентов продуктов сгорания, по табл. 8.

3 находится их средняя теплоемкость и затем по формуле (8.11) считается жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задается другая температура и расчет повторяется. Жаропроизводительность распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведена в табл. 8.4. При сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 вес. % влаги, жаропроизводительность снижается на 25–30°С.

Калориметрическая температура горения tK — температура, определяемая без учета диссоциации водяных паров и диоксида углерода, но с учетом фактической начальной температуры газа и воздуха. Она отличается от жаропроизводительности tж тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха α принимаются по их действительным значениям. Определить tK можно по формуле:

tК = (Qн qфиз)/(ΣVcp) (8.12)

где qфиз — теплосодержание (физическая теплота) газа и воздуха, отсчитываемое от 0°С, кДж/м3.

Природные и сжиженные углеводородные газы перед сжиганием обычно не нагревают, и их объем по сравнению с объемом воздуха, идущего на горение, невелик. Поэтому при определении калориметрической температуры теплосодержание газов можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) их теплосодержание (в особенности нагретых до сжигания) оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру.

Зависимость калориметрической температуры природного газа среднего состава в воздухе с температурой 0°С и влажностью 1% от коэффициента избытка воздуха а приведена в табл. 8.5, для сжиженного углеводородного газа при его сжигании в сухом воздухе — в табл. 8.7. Данными табл. 8.5–8.

7 можно с достаточной точностью руководствоваться при установлении калориметрической температуры горения других природных газов, сравнительно близких по составу, и углеводородных газов практически любого состава. При необходимости получить высокую температуру при сжигании газов с малыми коэффициентами избытка воздуха, а также для повышения КПД печей, на практике подогревают воздух, что приводит к росту калориметрической температуры (см. табл. 8.6).

Теоретическая температура горения tT — максимальная температура, определяемая аналогично калориметрической tK, но с поправкой на эндотермические (требующие теплоты) реакции диссоциации диоксида углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

СО2 ‹–› СО 0,5О2 — 283 мДж/моль (8.13)

Н2О ‹–› Н2 0,5О2 — 242 мДж/моль (8.14) При высоких температурах диссоциация может привести к образованию атомарного водорода, кислорода и гидроксильных групп ОН. Кроме того, при сжигании газа всегда образуется некоторое количество оксида азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения. Теоретическая температура горения может быть определена по следующей формуле:

tT = (Qн qфиз – qдис)/(ΣVcp) (8.15)

где qдис — суммарные затраты теплоты на диссоциацию СО2 и Н2О в продуктах сгорания, кДж/м3; ΣVcp — сумма произведения объема и средней теплоемкости продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 м3 газа.

Как видно из табл. 8.8, при температуре до 1600°С степень диссоциации может не учитываться, и теоретическую температуру горения может принять равной калориметрической. При более высокой температуре степень диссоциации может существенно снижать температуру в рабочем пространстве.

На практике особой необходимости в этом нет, теоретическую температуру горения необходимо определять только для высокотемпературных печей, работающих на предварительно нагретом воздухе (например, мартеновских). Для котельных установок в этом нужды нет.

Действительная (расчетная) температура продуктов сгорания tд — температура, которая достигается в ­реальных условиях в самой горячей точке факела. Она ниже теоретической и зависит от потерь теплоты в окружающую среду, степени отдачи теплоты из зоны горения излучением, растянутости процесса горения во времени и др.

Действительные усредненные температуры в топках печей и котлов определяются по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения в зависимости от температуры в топках с введением в них экспериментально установленных поправочных коэффициентов:

tд = tтη (8.16)

где η— т.н. пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределах: – для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией — 0,75–0,85; – для герметичных печей без теплоизоляции — 0,70–0,75; – для экранированных топок котлов — 0,60–0,75.

В практике надо знать не только приведенные выше адиабатные температуры горения, но и максимальные температуры, возникающие в пламени. Их приближенные значения обычно устанавливают экспериментально методами спектрографии. Максимальные температуры, возникающие в свободном пламени на расстоянии 5–10 мм от вершины конусного фронта горения, приведены в табл. 8.9.

Таблица 8.3. Средняя объемная теплоемкость газов, кДж/(м3•°С)

Таблица 8.4. Жаропроизводительность газов в сухом воздухе

Таблица 8.5. Калориметрическая и теоретическая температуры горения природного газа в воздухе с t = 0°С и влажностью 1%* в зависимости от коэффициента избытка воздуха α

Таблица 8.6. Калориметрическая температура горения природного газа tк, °С, в зависимости от коэффициента избытка сухого воздуха и его температуры (округленные значения)

Таблица 8.7. Калориметрическая температура горения tк технического пропана в сухом воздухе с t = 0°С в зависимости от коэффициента избытка воздуха α

Таблица 8.8. Степень диссоциации водяного пара h3O и диоксида углерода CO2 в зависимости от парциального давления

Таблица 8.9. Максимальные температуры, возникающие в свободном пламени, °С

fas.su

Использование котлов на газовом топливе

Горячую воду и пар для нужд промышленности и коммунального хозяйства получают главным образом в специальных котлах, которые являются одним из видов теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия. В котлах теплота отбирается от нагретых продуктов сгорания и передается холодной воде Теплообмен в котлах происходит без непосредственного контакта воды и продуктов сгорания газа, отделенных друг от друга металлическими поверхностями нагрева.

Такие теплообменники называют аппаратами непрерывного действия, так как горячие продукты сгорания, отдающие теплоту, и холодная вода, воспринимающая теплоту, находятся в непрерывном движении. Котлы в зависимости от их назначения бывают водогрейными и паровыми.

Если потребителю требуются горячая вода и пар, то применяют паровые котлы. В этих котлах часть получаемого пара используется для нужд производства, а часть направляется в специальный теплообменный аппарат – бойлер. В бойлере пар отдает часть теплоты воде, движущейся по трубам от водопровода к потребителю, конденсируется и вновь возвращается в котел для превращения в пар.

Для нормальной эксплуатации котлов большое значение имеет качество питательной воды. В этой воде могут содержаться различные примеси в виде солей, которые при нагреве выделяются и оседают на стенках котлов. Эти отложения приводят к уменьшению площади поперечного сечения труб, по которым движется нагреваемая вода, ухудшают теплообмен между продуктами сгорания и водой и могут привести к перегревам отдельных участков поверхностей нагрева и, как следствие, к разрушению этих участков.

Поверхности котла, обрабатываемые с одной стороны продуктами сгорания газа, а с другой – водой, называются поверхностями нагрева. Поверхность нагрева измеряют в квадратных метрах и подразделяют на конвективную и радиационную.

Радиационная поверхность обращена в топку и воспринимает теплоту в основном за счет излучения газового пламени, раскаленных огнеупорных стенок.

Остальная часть поверхности нагрева котла называется конвективной и воспринимает теплоту в основном за счет непосредственного соприкосновения с ней движущихся в газоходах продуктов сгорания, то есть за счет конвекции.

Важная характеристика работы котла – его тепловое равновесие, когда расход и поступление теплоты равны. Если такого соответствия нет, то давление пара в котле и температура воды в нем будут повышаться или понижаться. Другая характеристика работы котла – его материальное равновесие, когда количество поступающей и расходуемой питательной воды соответствуют одно другому.

Естественно, что при быстрой подаче в котел большого количества воды давление и температура воды в нем уменьшаются. При кипении вся вода в котле имеет одинаковую температуру, которая незначительно превышает температуру, соответствующую давлению насыщенного пара в паровом пространстве. В котле одновременно находятся вода и пар, а насыщенный пар имеет практически ту же температуру, что и вода.

Часто для нужд промышленности требуется не насыщенный, а перегретый пар. Чтобы из насыщенного пара получить перегретый, его дополнительно нагревают в конвективном пароперегревателе, расположенном по ходу продуктов сгорания за первым газоходом котла.

Продукты сгорания газа на выходе из газохода имеют еще значительный запас теплоты. Чтобы уменьшить эти потери теплоты, за котлами по ходу продуктов сгорания располагают дополнительные теплообменники – экономайзер и воздухонагреватель.

В экономайзере поступающая в котел питательная вода подогревается за счет использования части теплоты продуктов сгорания. В воздухонагревателе за счет теплоты продуктов сгорания подогревается воздух, необходимый для сжигания газа. Использование более нагретого воздуха приводит к повышению температуры горения газа, улучшению процесса горения и увеличению температуры продуктов горения.

Важная характеристика котельного агрегата – его тепловая мощность, которая определяется как произведение поверхности нагрева на расчетный теплосъем с 1 м2. Расчетный теплосъем с 1 м2 поверхности нагрева зависит от типа котла и колеблется от 25-50 тыс. для чугунных секционных котлов до 100 тыс. кДж/ч и более для водотрубных котлов.

Мощность паровых котлов определяется их паропроизводительностью, то есть количеством тонн пара в час. Поскольку количество теплоты в 1 кг пара зависит от его давления, при определении па- ропроизводительности котла указывается и расчетное давление.

В отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства преимущественно используют небольшие чугунные или стальные секционные котлы без экономайзеров и воздухонагревателей. В производственно-отопительных котельных применяют водотрубные котлы с установкой индивидуальных или групповых экономайзеров, в котельных электростанций – крупные котлоагрегаты в комплексе с экономайзерами и воздухонагревателями.

Газовое топливо создает хорошие условия для автоматизации его сжигания, что значительно повышает безопасность и эффективность эксплуатации котлов и обеспечивает их работу в соответствии с заданным режимом. Современная комплексная автоматика газифицированных котельных включает в себя приборы автоматики безопасности, регулирования, контроля и сигнализации.

Приборы контроля и сигнализации обеспечивают условия для дистанционного управления работой агрегата с диспетчерского пульта. Установлен минимально необходимый объем автоматики газифицированных котельных, обеспечивающий прекращение подачи газа к горелкам при недопустимом отклонении давления газа, погасании пламени горелок, отсутствии разрежения и прекращении подачи воздуха к горелкам.