Камера сгорания котла. Особенности установки газовых котлов и оборудования топочной

Классификация

Технологии сжигания органических топлив

По способу сжигания топлива:

• слоевые;
• камерные.

Слоевые топки в свою очередь классифицируют:

• По расположению относительно обмуровки котла:
  • внутренние;
  • выносные.
• По расположению колосниковых решеток:
  • с горизонтальными решетками;
  • с наклонными решетками.
• По способу подачи топлива и организации обслуживания:
  • ручные;
  • полумеханические;
  • механизированные.
• По характеру организации слоя топлива на решетке:
  • с неподвижной колосниковой решеткой топлива ;
  • с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива;
  • с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива (перемещение слоя топлива вместе с колосниковой решеткой).

Камерные топки разделяют:

• По способу удаления шлака:
  • с твердым шлакоудалением;
  • с жидким шлакоудалением:
    • однокамерные;
    • двухкамерные.

Слоевая топка

Слоевая топка

Топки, в которых производится слоевое сжигание кускового твердого топлива , называются слоевыми. Эта топка состоит из колосниковой решетки , поддерживающей слой кускового топлива, и топочного пространства, в котором сгорают горючие летучие вещества. Каждая топка предназначена для сжигания определенного вида топлива . Конструкции топок разнообразны, и каждая из них соответствует определенному способу сжигания. От размеров и конструкции топки зависят производительность и экономичность котельной установки .

Слоевые топки по характеру организации слоя топлива на решетке разделяются на три класса:

• С неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива ;
• С неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива;
• С движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива (перемещение слоя топлива вместе с колосниковой решеткой).

В зависимости от степени механизации подачи топлива и удаления шлака слоевые топки разделяются на:

• топки с ручным обслуживанием (ручные топки);
• полумеханические;
• полностью механизированные;

Камерная топка

Камерная топка

Камерные топки применяют для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. При этом твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в специальных пылеприготовительньгх установках - углеразмольных мельницах, а жидкое топливо - распылено на очень мелкие капли в мазутных форсунках. Газообразное топливо не требует предварительной подготовки.

Характеристика топки

Тепловые характеристики топки

Количество топлива, которое можно сжечь с минимальными потерями в данной топке для получения необходимого количества тепла, определяется размерами и типом топочного устройства, а также видом топлива и способом его сжигания. К качественным показателям работы топочного устройства относится величина потерь тепла вследствие химической неполноты сгорания и механического недожога . Численное значение этих потерь для различных топочных устройств различно; оно также зависит от вида топлива и способа его сжигания. Так, для камерных топок величина колеблется от 0,5 до 1,5%, для слоевых - от 2 до 5%(потери тепла); при камерном сжигании топлива составляет 1-6%, при слоевом 6-14%(недожог).

Конструктивные характеристики топки

Основными конструктивными показателями топки являются:

• Объем топочной камеры (м 3);
• Площадь стен топки (м 2);
• Площадь, занимаемая лучевоспинимающей поверхностью (м 2);
• Площадь променесприймальнои поверхности (м 2);
• Степень экранирования стен топки;
• Коэффициент тепловой эффективности топки.

Теплообмен в топке

В топке одновременно происходят горение топлива и сложный радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей ее средой и поверхностями нагрева .

Источниками излучения в топках при слоевом сжигании топлива являются поверхность раскаленного слоя топлива, пламя горения летучих веществ, выделившихся из топлива, и трехатомные продукты сгорания С0 2 , S0 2 и Н 2 О.

При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени, образующиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания. При горении в факеле распыленного жидкого топлива излучение частиц топлива незначительно.

При сжигании газа источниками излучения являются объем его горящего факела и трехатомные продукты сгорания. При этом интенсивность излучения факела зависит от состава газа и условий протекания процесса горения.

Наиболее интенсивно излучает теплоту пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлива. Менее интенсивно излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы, наиболее слабым оказывается излучение трехатомных газов. Двухатомные газы практически не излучают теплоты. По интенсивности излучения в видимой области спектра различают:

• светящийся
• полусветящийся
• несветящийся факелы.

Излучение светящегося и полусветящегося факела определяется наличием твердых частиц-коксовых, сажистых и золовых в потоке продуктов сгорания . Излучение не-светящегося факела - излучением трехатомных газов. Интенсивность излучения твердых частиц зависит от их размера и концентрации в топочном объеме. По удельной интенсивности излучения коксовые частицы приближаются к абсолютно черному телу, но при сжигании пыли твердого топлива их концентрация в факеле мала (примерно 0,1 кг/м 3) и поэтому излучение коксовых частиц на экраны топки составляет 25-30 % суммарного излучения топочной среды. Золовые частицы заполняют весь топочный объем, концентрация их зависит от зольности топлива. Тепловое излучение золовых частиц в факельных топках составляет 40-60 % суммарного излучения топочной среды. Сажистые частицы образуются при сжигании мазута и природного газа. В ядре факела они имеют высокую концентрацию и обладают большой излучательной способностью. Излу-чение трехатомных газов, заполняющих объем топочной камеры, определяется их концентрацией и толщиной объ¬ема излучения.

Доля излучения трехатомных газов составляет 20-30 % суммарного излучения. В газомазутных топках условно разделяют длину факела на две части:

• светящуюся
• несветящуюся

Интенсивность излучения ядра факела мазута в 2-3 раза выше, чем ядра факела при сжигании пыли твердого топлива. Тепловосприятие экранов топки определяется интенсивностью излучения топочной среды и тепловой эффективностью экранов. Увеличение интенсивности излучения среды топки повышает падающий на экраны тепловой поток. Снижение тепловой эффективности экранов уменьшает их тепловосприятие.

Литература

• Киселев Н.А. Котельные установки. - Москва: Высшая школа, 1979. - 270 с.
• Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленнх предприятий. - Москва: Энергия, Энергоотомиздат, 1988. - 528 с. - 35000 экз. -

При конструировании топочной камеры ста­вится ряд условий, которым она должна удовле­творять. Во-первых, топочная камера должна обес­печить в пределах ее объема наиболее полное сжигание топлива, так как за пределами топки горение топлива практически невозможно (допу­стимая неполнота сгорания топлива обоснована в гл. 6). Во-вторых, в пределах топочной каме­ры должно произойти охлаждение продуктов сго­рания за счет отвода теплоты к экранам до эко­номически целесообразной и безопасной темпера­туры. на выходе из топочной камеры по услови­ям шлакования или перегрева металла труб. В-тре­тьих, аэродинамика газовых потоков в объеме то­почной камеры должна исключать явления шлако­вания стен или перегрева металла экранов в от­дельных зонах топки, что достигается выбором ти­па горелок и их размещением по стенам топоч­ной камеры.

Геометрически топочная камера характеризу­ется линейными размерами: шириной фронта ат, глубиной 6Т и высотой hT (рис. 5.2), размеры ко­торых определяются тепловой мощностью топки, Рис. 5.2. Основные раз - тепловыми и физико-химическими характеристика - меры топочной камеры, ми топлива. Произведение /т = ат6т, м2, есть сече­ние топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7-12 м/с) проходят раскаленные топочные газы.

Ширина фронта тонки паровых котлов электростанций составляет аг = 9, 5 - г - 31 м и зависит от вида сжигаемого топлива, тепловой мощности
(паропроизводительности) парового . С увеличением мощности паро­вого котла размер ат растет, но не пропорционально росту мощности, ха­рактеризуя таким образом увеличение тепловых напряжений сечения топки и скорости газов в ней. Оценочно ширину фронта ат, м, можно определить по формуле

Шф£)0"5, (5.1)

Где D - паропроизводительность котла, кг/с; гпф - числовой коэффициент, изменяющийся от 1,1 до 1,4 с ростом паропроизводительности.

Глубина топочной камеры составляет 6Т = б - f - 10,5 м и определяется размещением горелок на стенах топочной камеры и обеспечением свободно­го развития факела в сечении топки так, чтобы высокотемпературные языки факела не оказывали давление на охлаждающие настенные экраны. Глуби­на топки возрастает до 8-10,5 м при использовании более мощных горелок с увеличенным диаметром амбразуры и при их расположении в несколько (два-три) ярусов на стенах топки.

Высота топочной камеры составляет hT = 15 - 65 м и должна обеспе­чить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах то­почной камеры и размещение на ее стенах требуемой поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температу­ры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

Кор = ^гтпреб, (5.2)

Где Wr - средняя скорость газов в сечении топки, м/с; тпреб - время пре­бывания единичного объема газа в топке, с. При этом необходимо, чтобы тпреб ^ Тгор, где тГОр - время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива, с.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых кот­лов является тепловая мощность топки, кВт:

Вк0т = Вк(СЗЇ + 0дОП+СЗг. в), (5.3)

Характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжига­нии расхода топлива Вк, кг/с, с теплотой его сгорания кДж/кг и с учетом дополнительных источников тепловыделения (Здогъ а также теплоты посту­пающего в топку горячего воздуха QrB (см. гл. 6). На уровне расположения горелок выделяется наибольшее количество теплоты, здесь расположено ядро факела и резко растет температура топочной среды. Если отнести все тепловыделение в растянутой по высоте топки зоне горения к сечению топ­ки на уровне горелок, то получим важную расчетную характеристику - тепловое напряжение сечения топочной камеры.

Максимально допустимые значения qj нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составля­ют от 2 300 кВт/м2 - для углей, обладающих повышенными шлакующими свойствами, до 6 400 кВт/м2 - для качественных углей с высокими темпе­ратурами плавления золы. С ростом значения qj увеличивается температура факела в топке, в том числе вблизи настенных экранов, заметно увеличива­ется тепловой поток излучения на них. Ограничение значений qj определя­ется для твердых топлив исключением интенсивного процесса шлакования настенных экранов, а для газа и мазута - предельно допустимым ростом температуры металла экранных труб.

Характеристикой, определяющей уровень энерговыделения в топочном устройстве, является допустимое тепловое напряжение топочного объема, qv, кВт/м3:

Где VT - объем топочной камеры, м3.

Значения допустимых тепловых напряжений топочного объема также нормируются. Они изменяются от 140 - г 180 кВт/м3 при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 180 - f - 210 кВт/м3 при жидком шлакоудале - нии. Величина qy прямо связана со средним временем пребывания газов в топочной камере. Это следует из нижеприведенных соотношений. Время пребывания единичного объема в топке определяется отношением факти­ческого объема топки с подъемным движением газов к секундному расход­ному объему газов:

273£ТУГ "

Тїіреб - Т7 = -------- ------ р. О)

Кек BKQ№aTTr

Где - усредненная доля сечения топки, имеющая подъемное движение газов; значение £т = 0,75 - г 0,85; - удельный приведенный объем газов, получающийся при горении топлива на единицу (1 МДж) тепловыделения, м3/МДж; значение = 0, 3 - f 0, 35 м3/МДж - соответственно крайние значения при сжигании природного газа и сильновлажных бурых углей; Ту - средняя температура газов в топочном объеме, °К.

С учетом выражения (5.5) значение тпрсб в (5.6) можно представить следующим образом:

Где тТ - комплекс значений постоянных величин.

Как следует из (5.7), с увели­чением теплового напряжения qy (увеличением объемного расхода газов) время пребывания газов в топочной камере уменьшается (рис. 5.3). Условию Тпреб = Тгор со­ответствует максимально допусти­мое значение qy, а этому значе­нию по (5.5) отвечает минимально допустимый объем топочной каме­ры кмин.

Вместе с тем, как это указа­но выше, экранные поверхности то­почной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки что достигается опреде­лением необходимых размеров стен и, следовательно объема топочной камеры. Поэтому нужно сопоставить минимальный объем топки V^Mmi из условия сгорания топлива и необходимый объем топки из условия охла­ждения газов до заданной температуры

Как правило, Утохя > VTmm, поэтому высота топочной камеры опреде­ляется условиями охлаждения газов. Во многих случаях эта необходимая высота топки существенно превосходит ее минимальную величину, соот­ветствующую V7",H, особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции котла.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометриче­ских размеров топки можно достичь применением двусветных экранов (см. рис. 2.5), расположенных внутри топочного объема. В топочных ка­мерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близ­ким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напря­жений экранов. Однако такой экран, в отличие от настенного, воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название - двусвет­ный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.

Тепловосприятие топочных экранов, полученное излучением факе­ла QJU кДж/кг, можно установить из теплового баланса топки, как разность между удельным полным тепловыделением в зоне ядра факела на уровне расположения горелок без учета отдачи теплоты к экранам, QT, кДж/кг,
и удельной теплотой (энтальпией) газов на выходе из топки Н" при от­даче (потере) небольшой части теплоты во вне через теплоизолирующие стены Опот:

Qn = Qr - Н" - Qhot = (QT ~ , (5.8)

Где (/? = (5л/(<2л + <2пот) - ДОЛЯ сохранения теплоты в топке (см. п. 6.3.4). Ес­ли отнести значение Qn к единице поверхности экрана, то получим среднее тепловое напряжение поверхности нагрева, qn, кВт/м2, характеризующее интенсивность тепловой работы металла труб экранов:

Где FC3T - поверхность стен топки, закрытая экранами, м2.

Рис.3.1 Газовая горелка . 1- корпус горелки, 2 – привод горелки и вентлятор, 3 – запальник, 4 – контролирующая автоматика горелки, 5 – головка горелки, 6- регалятор подачи воздуха, 7 – установочные фланцы.
Малые котлы, работающие на твердом топливе, в большинстве имеют слоевые или с колосниковой решеткой топки.

Котлы со слоевыми топками можно разделить на следующие основные типы:

Котлы с нижним горением (рис. 3- 3в)

Котлы с поворотным пламенем и т.д.

Рис. 3.2 Мазутная горелка жидкого топлива . 1 – корпус горелки, 2 – регулятор воздуха, 3 – вентилятор горелки, 4 – привод горелки, 5 – топливный насос, 6 – головка горелки, 7 – установочный стержень для сопел, 8 – сопла, 9 – контрольная автоматика горелки, 10 – запальник.


Рис. 3.3 а – котел с верхним горением, в – котел с нижним горением (1 – первичный воздух, 2 – вторичный воздух, 3 – газы горения)
Топка котла с верхним горением – традиционная, предназначенная для сжигания топлив с низким содержанием летучих . Термическое разложение топлива и горение образовавшихся летучих и кокса происходит в самом объеме камерной топки. Большая часть выделяющегося тепла передается стенам топки излучением. При сжигании топлива с высоким содержанием летучих (древесина, торф) в объеме топки оставляют место, достаточное для горения летучих, куда подается вторичный воздух.

Котел с нижним горением имеет шахту для топлива, откуда постоянно подается на решетку топливо взамен сгоревшего. Двигаясь в шахте, толиво сушится и подогревается. В горенни участвует определенная часть топлива, бОльшая часть топлива, находящегося на решетке термически не обрабатывается и сохраняет первоначальное содержание летучих. Непосредственно вблизи решетки топливо газифицируется, образовавшиеся летучие догорают в отдельно расположенной камере сгорания, куда и подается вторичный воздух, чтобы обеспечить достаточновысокую температуру горения. Одна из стенок камеры догорания обычно делается керамической.
При усовершенствовании котла с поворотным пламенем и нижним горением разработан котел с поворотным горением (рис.3.4а ), в котором используется стабилизирующая процесс горения керамическая решетка. Вследствие очень хороших услових горения у этого котла камера догорания имеет меньший объем по сравнению с котлом с нижним горением.
Отдельным типом котла можно считать котел с двумя раздельными камерами сгорания (топками ) – котел-универсал (рис. 3.4 b ). В меняющихся условиях топливоснабжения и цен на топливо такой котел очень удобен, поскольку в нём можно сжигать как жидкие топлива, дрова, древесные отходы, торф, брикетированный торф, древесные пелеты (гранулы), так и каменный уголь и т.д.. В котле, как уже сказано, две независимые друг от друга топки: топка с верхнним горением твердого топлива и топка для сжигания жидкого топлива, на фронт которой устанавливается горелка жидкого топлива. Котел расчитан на одновременное использование двух видов топлива. Сжигая твердое топливо, следует топливо добавлять чаще, чем, например, в случае топки с нижним горением, которая снабжена шахтой топлива. Горелка жидкого топлива включается автоматически в случае, если твердое топливо сгорело и температура воды в котле опустилась ниже допустимого.

Обычно у этих котлов теплообменник горячей воды из спиралевидных труб и есть возможность установки электрических нагревателей. Таким образом , котел может быть электрическим, его можно топить твердым и жидким топливом и с этим котлом нет необходимости в отдельном бойлере горячего водоснабжения.

Рис. 3.4 а – котел с поворотным пламенем, b – котел-универсал с двумя топчными камерами (1 – первичный воздух, 2 –вторичный воздух, 3 – газы горения).

3.2 Показатели эффективности топок
Топка – часть котельной установки, где происходит горение топлива.

Тепло, высвобождающееся при горении топлива, продуктами горения передается воде через поверхности нагрева . Поверхности нагрева производят обычно металлическими или чугунными. Теплообмен между внутренней и внешней средами, разделенными поверхностью нагрева, происходит путем излучения, конвекции, теплопроводности. Тепло продуктов горения передается на внешнюю поверхность излучением и конвекцией. В топках доля излучения составляет более 90%. Через материал поверхности нагрева (металл), а также отложения на внешней поверхности нагрева и накипи на внутренней поверхности нагрева передается тепло теплопроводностью.

Тепловая мощность топки – количество теплоты, которое выделяется при горении топлива в единицу времени, kW

B – расход топлива, kg/s

Q a t – низшая теплота сгорания kJ/kg
Форсирование топки – количество теплоты, которое выделяется за единицу времени на единицу поверхности поперечного сечения топки, kW/m 2

где А – площадь поперечного сечения топки, m 2 .
Удельная объемная мощность топки – количество теплоты, которое выделяется на единицу объема топки в единицу времени, kW/m 3 .

где V – объем топки, m 3 .
Удельная тепловая мощность решетки (слоевой) топки – количество теплоты, которое выделяется с поверхности решетки в единицу времени.

R – площадь поверхности решетки, m 2

V – объем топочной камеры, m 3

К.п.д. котла по прямому балансу находится отношением полезно используемого тепла Q kas к количеству тепла, поданного в в топку:


где G – расход воды через котел ,

h 1 – энтальпия воды на входе в котел

h 2 – энтальпия воды на выходе из котла
К.п.д. котла (брутто- к.п.д. не учитывает расход энергии на собственные нужды) по косвенному балансу :

где q 2 – потери тепла с уходящими газами;

q 3 – потери тепла от хим. недожега;

q 4 – потери тепла от мех. недожега;

q 5 – потери тепла от выстывания котла;

q 6 – потери тепла с физическим иеплом шлака.
Для того, чтобы найти нетто-к.п.д. котла нужно cнять расход количества теплоты q s ot и электрической энергии q e ot на собственные нужды:

Обычно расход на собственные нужды (на работу воздуходувки, насосы и т.д.) для газовых и на жидком топливе котлов составляет не более 0,3... 1%. Чем мощнее котел, тем меньше процент.
К.п.д. котла на номинальной нагрузке отличается от к.п.д. кола на частичной нагрузке. При уменьшении нагрузки котла ниже номинальной в определенном количестве снижаются потери тепла с уходящими газами и от хим. недожега. Потери от выстывания остаются прежними и их процентная доля значительно возрастает. И это является причиной, почему при снижении нагрузки котла уменьшается и к.п.д. котла.
Отдельным вопросом являются потери котла при периодической работе , которые в общем случае вызваны следующими причинами:

Потери от наружного выстывания;

Q k.f. – физическая теплота топлива;

Q p – теплота пара, который используется для расспыления топлива в топке или подается под топочную решетку;

Q k a – теплота сгорания газового топлива.
При сжигании сланца используемое тепло топлива вычисляется по формуле:

Где ΔQ ka означает теплоту эндотермического эффекта, обусловленного неполным разложением карбонатов:

При полном разложении k CO 2 = 1 и ΔQ ka = 0
Тепло Q t k , подаваемое в в котельную установку, разделяется на полезно используемое Q 1 и тепловые потери :
Q 2 – с уходящими газами;

Q 3 – от химического недожега;

Q 4 – от механического недожега;

Q 5 – от выстывания котла;

Q 6 – с физическим теплом шлака.
Приравняв между собой используемое тепло топлива Q t k c затратами тепла, получим:

Это выражение называется уравнением теплового баланса котельной установки.
Уравнение теплового баланса в процентном выражении:

где

3.4 Тепловые потери котла
3.4.1 Теплове потери с уходящими из котла газами

где H v . g . – энтальпия уходящего газа из котла в kJ/kg или kJ/m 3 (сжигаемого топлива 1 kg или 1 m 3)

α v . g – коэффициент избытка воздуха

H 0 k . õ – энтальпия воздуха, необходимого для сжигания 1 kg или 1 m 3 топлива (до воздухоподогревателя) в kJ/kg или kJ/m 3 .

где V i – объемы компонентов (V RO 2 , V N2 , V O2 ,V H2O) уходящих газов на единицу массы или объема топлива m 3 / kg , m 3 / m 3

c’ i – изобарная объемная теплоемкость соответствующего газового компонента kJ/m 3 ∙К

θ v.g - температура уходящих из котла газов.
На величину теплопотери q 2 значительное влияние оказывает как температура уходящих газов θ v.g , так и коэффициент избытка воздуха α v . g .

Температура уходящих газов увеличивается из-за загрязнения поверхностей нагрева, коэффициент избытка воздуха работающего под разряжением котла –

из-за увеличения неплотностей. Обычно теплопотеря q 2 составляет 3...10 %, но вследствие выше перечисленных факторов может увеличиться.
Для практического определения q 2 при теплотехнических испытаниях котла следует определить температуру уходящих газов и коэффициент избытка воздуха. Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить процентное содержание RO 2 , O 2 , СО в уходящих газах.

1. 
   Тепловые потери от химически неполного сгорания топлива (хим.недожега)

Потери с хим.недожегом обусловлены тем , что часть горючего вещества топлива остается в топке неиспользованным и выходит из котла в виде газовых компонентов (СО, Н 2 , СН 4 , СН...). Полное сгорание этих горючих газов практически невозможно из-за низких температур за топкой. Основные причины хим.недожега следующие:

Недостаточное количество воздуха, полаваемого в топку,

Плохое смешивание воздуха с топливом,

Малый объем топки, что определяет время нахождения топлива в топке, которого не хватает для полного сгорания топлива,

Низкая температура в топке, которая снижает скорость горения;

Слишком высокая температура в топке, которая может привести к диссоциации продуктов горения.
При правильном объеме воздуха и хорошем смешивании q 3 зависит удельной объемной мощности топки. Оптимальная объемная мощность топки, где q 3 минимальная зависит от сжигаемого топлива, технологии сжигания и конструкции топки. Теплопотеря от хим.недожега составляет 0...2% при удельной объемной мощности q v = 0,1 ... 0,3 MW / m 3 . В топках, где происходит интенсивное горение топлива q v = 3... 10 MW / m 3 , теплопотеря от хим.недожега отсутствует.

1. 
   Потери тепла от механического неполного сгорания (от мех.недожега)

Теплопотери от мех.недожега q 4 обусловлены содержанием горючего вещества топлива в выходящих из котла твердых остатках горения. Часть твердого горючего вещества, которая содержит углерод, водород и серу, уходит вместе с уходящими газами в верхней части топки в виде 1. летучей золы , часть твердых горючих остатков удаляются с решетки или из-под решетки вместе 2. со шлаком ; может иметь место частичное 3. проваливание топлива через ячеки решетки.

При сжигании жидкого и газового топлива потери от мех.недожега отсутствуют, за исключением тех случаев, когда образуется сажа, которая выносится из котла вместе с уходящими газами горения.
Потери от мех.недожега можно вычислить по формуле:

где α r , α v , α lt - удельные количества твердого горючего остатка, который удален с решетки (α r), или из-под решетки как провалившегося сквозь неё (α v), или ушедшего из котла вместе с горючими газами в виде летучей золы (α lt).

1. 
   Тепловые потери от внешнего выстывания котла

Тепловые потери от внешнего выстывания котла обусловлены проникновением тепла через обмуровку и тепловую изоляцию. Тепловые потери q 5 зависят от толщины обмуровки и толщины тепловой изоляции деталей котельной установки. В случае больших (мощных) котлов поверхность котла в сравнении с объемом меньше и q 5 не превышают 2 %.

Для котлов мощностью менее 1 МW потери от выстывния определяют опытным путем. Для этого наружную поверхность котла разделяют на части меньшей площадью F i , по середине которой измеряется тепловой поток q i W / m 2 .

Рис. 13.5. Зависимость внешнего выстывания поверхности котла от паропроизводительности котла.
При отсутствии тепломера по середине каждой части поверхности котла замеряют температуру поверхности и теплопотери вычисляют по формуле:

где α – средний коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности котла в окружающую среду (воздух) W / m 2 ∙К
Δ t = t F – t õ – средний перепад температур между поверхностью котла и средней температурой воздуха.

А – площадь внешней поверхности котла, состоящая из n частей площадью F i m 2 .

1. 
   Теплопотери с физическим теплом шлака

где α r – относительное количество удаляемого шлака из топки котла

t r – температура шлака 0 С

c r – удельная теплоемкость шлака kJ/ kg∙K

1. 
   Горелки твердого топлива

Во многих странах проводят испытания оборудования котлов на твердом топливе с целью автоматицации его работы. Если в качестве топлива используют древесную крошку, то наиболее распростаненная горелка для такого топлива – стокер-горелка.

Рис. 3.6 STOKER – горелка.

Для сжигания гранулированного топлива (пелет) используют специальную горелку EcoTec.

Рис.3.7 Гоерелка EcoTec для сжигания пелет.
Существуют два основных типа пеллетных котлов, первое это котлы со специальными пеллетными горелками (как внешними, так и внутренними) и второе - более простые модели, переделанные, как правило, из опилочно-щепочных котлов, в которых горелка так предмет отсутствует , а сжигание пеллет происходит в топочной арматуре. Первый тип пеллетных котлов, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: встроенные пеллетные горелки и пеллетные горелки, которые можно демонтировать и перевести котёл на другой вид топлива (уголь, дрова).

Итак, сначала давайте проясним, о чём идёт речь.

Ко второй группе относятся Фачи и его восточно европейские клоны, Бенеков, и др

Итак, большая разница, как мы видим, в наличии специализированной горелки и некоторая минорная в системе подачи пеллет. Конкретней это выглядит следующим образом:

Чем отличается пеллетная горелка от топочной арматуры

Во-вторых, подача воздуха в специализированной горелке осуществляет направлено и, как правило, зонально, т.е. существует область подачи первичного воздуха, есть область подачи вторичного воздуха. В обычной топочной арматуре этого нет.

Система подачи пеллет

Из разницы в системе подачи вытекают прочие отличия:

Образцом пеллетной горелуки объёмного горения может являтся пеллетная горелка шведской фирмы EcoTec.

Запуск «холодной» пеллетной горелки

фото 1. Вентилятор

При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига. Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим нормальной работы. При неудачном запуске , в зависимости от алгоритма работы горелки, возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.

При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига. Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим нормальной работы. При неудачном запуске, в зависимости от алгоритма работы горелки, возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.

Режим нормальной работы пеллетной горелки

Запуск из режим stand-by

Динамическое изменение мощности работы горелки

Теперь представьте ситуацию, у Вас установлен бойлер для горячей воды, и Вы решили в самую холодную ночь года принять душ одновременно все , в этом случае, падение температуры теплоносителя может быть достаточно резким, и через некоторое время Вы может почувствовать на собственной коже, что Ваш котёл не «вытягивает» нагрузку, несмотря на то, что трудится в пиковом режиме. Вот именно для подобных случаев и применяется система динамического изменения мощности горелки. В этом случае, горелка автоматически увеличит рабочую мощность до 100%, а при достижении требуемой температуры вернётся обратно.

Остановка горелки в штатном режиме

Тонкая настройка пеллетной горелки

Расчет топочной камеры может быть выполненным поверочным или конструктивным методом.

При поверочном расчете должны быть известны конструктивные данные топки. При этом расчет сводится к определению температуры газов на выходе из топки θ” Т. Если в результате расчета θ” Т окажется значительно выше или ниже допустимой, то её необходимо изменить до рекомендуемой за счет уменьшения или увеличения лучевоспринимающих поверхностей нагрева топки Н Л.

При конструкторском расчете топки используется рекомендуемая температура θ”, исключающая шлакование последующих поверхностей нагрева. При этом определяется необходимая лучевоспринимающая поверхность нагрева топки Н Л, а так же площадь стен F СТ, на которых должны быть возмещены экраны и горелки.

Для выполнения теплового расчета топки составляет её эскиз. Объём топочной камеры V Т; поверхность стен, ограничивающих объём F СТ; площадь колосниковой решетки R; эффективную лучевоспринимающую поверхность нагрева Н Л; степень экранирования Х определяют в соответствии со схемами рис.1. Границами активного

топочного объема V Т являются стены топочной камеры, а при наличии экранов – осевые плоскости экранных труб. В выходном сечении её объем ограничивается поверхностью, проходящей через оси первого котельного пучка или фестона. Границей объема нижней части топки являются пол. При наличии холодной воронки за нижнюю границу объёма топки условно принимается горизонтальная плоскость, отделяющая половину высоты холодной воронки.

Полная поверхность стен топки F ст вычисляется суммированием всех боковых поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры и камеры сгорания.

Площадь колосниковой решетки R определяется по чертежам или по типоразмерам соответствующих топочных устройств.

Задаемся

t΄ вых =1000°C.

Рисунок 1. Эскиз топки

Площадь каждой стенки топки, м 2

Полная поверхность стен топки F ст, м 2

Лучевоспринимающая поверхность нагрева топки Н л, м 2 , рассчитыва­ется по формуле

где F пл X - лучевоспринимающая поверхность экранов стены, м 2 ; F пл =bl - площадь стены, занятой экранами. Определяется как произведение рас­стояния между осями крайних труб данного экрана b , м, на освещенную длину экранных труб l , м. Величина l определяется в соответствии со схемами рис.1 .

X - угловой коэффициент облучения экрана, зависящий от относительного шага экранных труб S/d и расстояния от оси экранных труб до стенки топки (номограмма 1 ).

Принимаем Х=0,86 при S/d=80/60=1,33

Степень экранирования камерной топки

Эффективная толщина излучающего слоя топки, м

Передача тепла в топки от продуктов сгорания к рабочему телу происходит в основном за счет излучения газов. Целью расчета теплообмена в топке является определение температуры газов на выходе из топки υ” т по номограмме. При этом необходимо предварительно определить следующие величины:

М, а Ф, В Р ×Q Т /F СТ, θ теор, Ψ

Параметр М зависит от относительного положения максимальной температуры пламени по высоте топки Х Т.

Для камерных топок при горизонтальном расположении осей горелок и верхнем отводе газов из топки:

Х Т =h Г /h Т =1/3

где h Г – высота расположения осей горелок от пола топки или от середины холодной воронки; h Т - общая высота топки от пола или середины холодной воронки до середины выходного окна топки или ширм при полном заполнении ими верхней части топки.

При сжигании мазута:

М=0.54-0.2Х Т =0,54-0,2·1/3=0,5

Эффективная степень черноты факела а Ф зависит от рода топлива и условий его сжигания.

При сжигании жидкого топлива эффективная степень черноты факела:

a Ф =m×а св +(1-m)×а г =0,55·0,64+(1-0,55)·0,27=0,473

где m=0,55 – коэффициент усреднения, зависящий от теплового напряжения топочного объёма; q V – удельное тепловыделение на единицу объёма топочной камеры.

В промежуточных значениях q V величина m определяется линейной интерполяцией.

а г, а св – степень черноты, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами. Величины а св и а г определяются по формулам

а св =1-е -(Кг× Rn +Кс)Р S =1-е -(0.4·0.282+0.25)·1·2,8 =0.64

а г =1-е -Кг× Rn ×Р S =1-е -0,4·0,282·1·2,8 =0,27

где е – основание натуральных логарифмов; к r – коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, определяется по номограмме с учетом температуры на выходе из топки, способа размола и вида сжигания; r n =r RO 2 +r H 2 O – суммарная объёмная доля трёхатомных газов (определяется по табл.1.2).

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

К r =0.45(по номограмме 3)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/м 2 ×кгс/см 2:

0,03·(2-1,1)(1,6·1050/1000-0,5)·83/10,4=0,25

где а т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки;

С Р и Н Р – содержание углерода и водорода в рабочем топливе,%.

Для природного газа С Р /Н Р =0.12∑m×C m ×H n /n.

Р – давление в топке, кгс/см 2 ; для котлов без наддува Р=1;

S – эффективная толщина излучающего слоя, м.

При сжигании твердых топлив степень черноты факела а Ф находят по номограмме, определив суммарную оптическую величину К×Р×S,

где Р – абсолютное давление (в топках с уравновешенной тягой Р=1 кгс/см 2); S – толщина излучающего слоя топки, м.

Тепловыделение в топки на 1 м 2 ограждающих ее поверхностей нагрева, ккал/м 2 ч:

q v =

Полезное тепловыделение в топке на 1 кг сжигаемого топлива, нм 3:

где Q в – тепло, вносимое воздухом в топку (при наличии воздухоподогревателя) , ккал/кг:

Q B =(a т -∆a т -∆a пп)×I 0 в +(∆a т +∆a пп)×I 0 хв =

=(1,1-0,1)·770+0,1·150=785

где ∆а т – величина присоса в топке;

∆а пп – величина присоса в пылеприготовительной системе (выбирают по таблице). ∆а пп = 0, т.к. мазут.

Энтальпии теоретически необходимого количества воздуха Ј 0 г.в =848,3 ккал/кг при температуре за воздухоподогревателем (предварительно принятой) и холодного воздуха Ј 0 х.в. принимают по таблице 1.3.

Температура горячего воздуха на выходе из воздухоподогревателя выбирается для мазута – по таблице 3, t гор. в-ха =250 ○ С.

Теоретическую температуру горения υ теор =1970°C определяют по таблице 1.3 по найденному значению Q т.

Коэффициент тепловой эффективности экранов:

где Х – степень экранирования топки (определена в конструктивных характеристиках); ζ – условный коэффициент загрязнения экранов.

Условный коэффициент загрязнения экранов ζ для мазута равен 0,55 с открытыми гладкотрубными экранами.

Определив М, а Ф, В Р ×Q T /F CT ,υ теор, Ψ, находят температуру газов на выходе из топки υ˝ т по номограмме 6.

При расхождениях в значениях υ” т менее чем на 50 0 С определенную по номограмме температуру газов на выходе из топки принимают как окончательную. С учетом сокращений в вычислениях принимаем υ" т =1000°C.

Тепло, переданное в топке излучением, ккал/кг:

где φ – коэффициент сохранения тепла (из теплового баланса).

Энтальпию газов на выходе из топки Ј” Т находят по таблице 1.3 при а т и υ” т видимое тепловое напряжение топочного объёма, ккал/м 3 ч.