Теплотехнические показатели работы топок

План

 

1. Топочные устройства. Сжигание топлива.

2. Теплотехнические показатели работы топок.

3. Котельный агрегат.

4. Вспомогательное оборудование котельной установки.

5. Тепловой баланс котельного агрегата.

6. Основы водоподготовки.

 

1. Топочные устройства. Сжигание топлива

 

Топка - один из основных элементов котельного агрегата. В ней происходит процесс горения, при котором химическая энергия топливa преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, передавае­мую далее жидкости и пару, находящимся в котле.

Существующие топочные устройства можно разделить на слоевые и камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания твердого топлива в слое на колосниковой решетке.

В камерных топках сжигается твердое топливо во взвешенном состоянии в виде пыли и дробленых частиц, а также жидкое, распыляемое с помощью форсу­нок, и газообразное. Камерные топки подразделяются на факельные и вихревые (циклонные).

На рис. 19.1 показаны схемы слоевого, факельного и вихревого способов сжигания плива.

 

 

При слоевом способе сжигания необхо­димый для горения воздух подается к слою топлива через колосниковую решетку.

При факельном способе сжигания твердое топливо предварительно размалывается в мельницах и пыль вместе с воздухом (аэроемесь) по­дается в топку. Время пребывания газа и пыли в объеме топки незна­чительно (1,5 - 2 с). Поэтому в зависимости от вида твердого топлива тонина помола (т. е. процентное содержание по массе частиц определенных размеров) выбирается различной

Циклонный способ сжигания основан на использовании закрученных топливовоздушных потоков. Транспорт топлива осуществляется воздухом. Топливные частицы циркулируют по определенным траекториям в течение времени, необходимого для завершения их сгорания. Под действием центробежных сил частицы движутся в виде уплотненного пристенного слоя, интенсивно перемешиваясь с воздухом. Время пребывания частиц в циклонной камере выбирается достаточным для выгорания грубой пыли (размер частиц ~200 мкм) или дробленогошш топлива (размер частиц до 5 мм).

 

 

Слоевые топки. По способу механизации операции обслуживания (подача топлива, шуровка слоя, удаление золы и шлака) слоевые топки делятся на ручные (немеханизированные), полумеханические и механические. В полумеханических топках механизирована часть операций. В механических топках механизированы все операции.

Классификация наиболее типичных и относительно широко распространенных топочных устройств со слоевым сжиганием топлива показана на рис. 19.2.

В зависимости от способа организации процесса сжигания топлива слоевые топки можно разделить на три группы:

1) с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива

(рис. 19.2, а, б);

2) с неподвижной колосниковой решеткой и перемещением топлива по

решетке (рис. 19.2, в, г, д);

3) с подвижной колосниковой решеткой и движущимся вместе с ней

слоем топлива (рис. 19.2, е).

В показанную на рис. 19.2 а топку, топливо загружают вручную и вручную удаляют очаговые остатки через зольник. Из-за большой затраты физического труда топки этого типа используют только для котлов малой паропроизводительности (до 0,5 кг/с).

На рис. 19.2 б показана полумеханическая топка с пневмомеханическим забрасывателем (ПМЗ) и ручными поворачивающимися колосниками (РПК). Топливо забрасывается питателем ПМЗ и равномерно распределяется по решетке. Удаляют очаговые остатки путем их сбрасывания в зольный бункер при повороте колосников около своей оси от ручного привода.

В топке, показанной на рис. 19.2 в, загрузка осуществляется под действием собственного веса топлива. Топки с наклонной решеткой (с углом 40—45°, что соответствует углу естественного откоса сжигаемого топлива) используют обычно для сжигания древесных отходов и кускового торфа.

 

 

Возвратно-поступательное движение колосников на наклонно-переталкивающей решетке (см. рис. 19.2, г) дает возможность осуществить

непрерывную шуровку слоя топлива. В таких топках возможно сжи­гание горючих сланцев, бурых углей с большой зольностью и повышен­ной влажностью и каменных углей с большим выходом летучих ве­ществ.

Топки с шурующей планкой (см. рис. 19.2, д) предназначены для сжигания многозольных бурых и неспекающихся каменных углей. Шурующая планка выполняется в виде трехгранной призмы из литого чугуна или стали. Угол наклона передней плоскости к горизонтальной плоскости составляет 35°, а задней - 15°. При движении вперед (к задней стенке топки) топливо переталкивается в том же направлении. При обратном ходе слой топлива подрезается задней гранью и осуществ­ляется шуровка горящего слоя топлива.

На рис. 19.2, е показана топка конструкции проф. Макарьева для сжигания кускового топлива с присадкой фрезерного торфа. Эта топка снабжена предтопком в виде шахты, в которой топливо подсушивается и подвергается частичной газификации. Подсушивающий горячий воздух поступает по каналам расположенным на передней стенке предтопка. Топливо подается на медлено движущееся колосниковое полотно цепной решетки длиной 6 – 7м надетой на два барабана. Цепную решетку выполняют или с накладными, или с так называемыми чешуйчатыми колосниками, обеспечивающими работу решетки практически без провала топлива.

Камерные топки для сжигания твердого топлива используют в котельных агрегатах средней (10-42 кг/с) и большой (>42 кг/с) произ водительности.

Основные преимущества камерных топок заключаются в следую­щем:

1) возможность экономичного использования практически всех сортов угля, в том

числе и низкокачественных, которые трудно сжи­гать в слое;

2) хорошее перемешивание топлива с воздухом, что позволяет ра­ботать с

небольшим избытком воздуха (a = 1,2…1,25);

3) возможность повышения единичной мощности котельного агре­гата;

4)относительная простота регулирования режима работы и, сле­довательно,

возможность полной автоматизации топочного процесса.

Пылеугольные топки можно классифицироват ь по расположению горелок (фронтальное, встречное, угловое) и способу удаления шлака из камеры (твердое или жидкое). Расположение горелок на стенках камерных топок показано на рис. 19.4.

Потолочное и одноярусное фронтальное расположение горелок применяется для котлов произво­дительностью до 33 кг/с (120 т/ч). Для котлоагрегатов производитель­ностью свыше 33 кг/с рекомендуется боковое встречное и угловое тан­генциальное расположение горелок. Применяется также многоярус­ная фронтальная установка горелок. Предпочтительнее схема с уста­новкой угловых тангенциальных горелок, так как в этом случае соз­дается интенсивное (вихревое) перемешивание топлива с воздухом, развиваются более высокие температуры и процесс горения протекает

более полно.

В зависимости от способа удаления шлака из топочной камеры при­меняют топки с удалением шлаков в твердом и жидком состояниях. На рис. 19.5, а показаны топки с удалением твердых шлаков а на рис. 19.5,6 — жидких шлаков.

В топках с удалением твердых шлаков сжигают высокозольные бурые угли, каменные угли, фрезерный торф, сланцы.

Слабореакционное топливо (антрациты, полуантрациты, тощие ка­менные угли) целесообразно сжигать в топках с удалением жидких шлаков.

Сжигание твердого топлива в факеле. Большое значение для работы пылеугольных топок имеет конструкция применяемых горелок. Горелки должны обеспечивать:

- хорошее перемешивание топлива с воздухом,

- надежное зажигание аэросмеси,

- максимальное заполнение факелом топочной камеры

- и легко поддаваться регулированию по производительности в заданных пределах.

В настоящее время для факельного сжигания твердого топлива широкое распространение получили вихревые горелки с закрученными потоками аэросмеси и вторичного воздуха и щелевые прямоструйные горелки.

В щелевых горелках пылевоздушная смесь подается в топку через узкие щели. Дальнобойность в топку получается значительной. Эти горелки используютдля встречной или угловой установки в топочной камере.

Вихревые горелки дают факел небольшой длины и устанавливаются на фронтальной стене топочной камеры.

Различные схемы подачи аэросмеси и вторичного воздуха в топку показаны на рис. 19.7. На рис. 19.7,а и, б показаны варианты ввода потоков аэросмеси и воздуха в щелевые прямоструйные горелки. По условиям зажигания топлива подача аэросмеси по периферии горелки (см. рис. 19.7, а) более рациональна, чем его подача по центральному каналу (см. рис. 19.7, б), так как в последнем случае прогреву частиц топлива до воспламенения препятствует относительно холодный (По сравнению с температурой в топке) слой вторичного воздуха.

На рис. 19.7, в показана схема подачи аэросмеси и воздуха в вих­ревую горелку, Пылевоздушная смесь подается по центральной трубе, а вторичный воздух — по периферийному каналу. Установленный рассекатель отжимает прямоструйный поток аэросмеси в область, за­нимаемую закрученным потоком вторичного воздуха.

Рассекатель яв­ляется плохо обтекаемым телом, и за ним образуется зона, куда рециркулируют раскаленные продукты сгорания, что способствует устойчи­вому зажиганию топливрвоздушной смеси и хорошей стабилизации факела.

На практике часто используется схема подачи аэросмеси и вторичного воздуха закрученными струями, В этом случае надобность в установке рассекателя отпадает, так как при такой организации движения потоков надежность зажигания и стабилизации факела достигается вследствие рециркуляции продуктов сгорания в зону разрежения.

Сжигание мазута и газов в топках. Жидкое топливо, сжигаемое в топках, подвергается предварительному распылению с помощью фор­сунки, являющейся элементом горелки. Под горелкой в общем случае понимается агрегат, включающий помимо форсунки воздухонаправляющий аппарат, запальное устройство и механизм управления.

Качественное сжигание жидкого топлива обусловливается тонко­стью его распыления. Для этой цели используют форсунки, которые, кроме того, обеспечивают необходимый диапазон регулирования рас­хода топлива и устойчивое зажигание смеси.

В зависимости от способа распыления топлива форсунки подразде­ляются на четыре класса: механические, паровые, воздушные (пнев­матические) икомбинированные.

На рис. 19.8 показаны принципиаль­ные схемы применяемых форсунок.

 

Форсунки с механическим распылением можно разделить на пря­моструйные, центробежные и ротационные.

В прямоструйных фор­сунках (рис. 19.8, а) дробление струи топлива на мельчайшие капли происходит при его продавливании под значительным давлением (1— 2 МПа) через сопло малого диаметра.

В центробежных форсунках (рис. 19,8, б, в) топливо распыляется под действием центробежных сил, возникающих при закручивании топливного потока. Вращательное движение топливу сообщается путем тангенциального подвода его к вихревой камере форсунки (см. рис. 19.8, б) или специальным завихрителем, устанавливаемым на выходе из форсунки (см. рис. 19.8, в).

В ротационных форсунках (рис. 19.8, г) топливо подается внутрь быстро вращающегося распиливающего стакана, где оно растекается под действием центробежных сил, образуя тонкую пленку. На выходной кромке стакана тонкая пленка подхватывается подводимым первичным воздухом.

Паровые и пневматические форсунки можно объединить в один класс — форсунки с распыливающей средой. В паровых форсунка (рис. 19.8, д) в качестве такой среды используют водяной пар с давлением 0,4—1,6 МПа. Мазут к форсунке подается под давлением 0,3… 0,4 МПа. Чем больше скорость струи пара, тем более тонко распыляется топливо. У большинства форсунок достигается критическая скорость пара.

Паровые форсунки по конструкции проще механических, но из-за большого расхода пара (0,30—0,35 кг пара на 1 кг мазута) и сильного шума применяются в котлоагрегатах производительностью до 3,3 кг/с.

Пневматические форсунки, в которых распыливающей средой слу­жит воздух, можно разделить на форсунки высокого и низкого давле­ний. К первой группе относятся форсунки, в которых давление дутье­вого воздуха составляет 0,2-1 МПа и выше (см. рис. 19.8,д), ко вто­рой - форсунки, в которых давление воздуха равно 0,002—0,008 МПа (рис. 19.8, е).

При сравнении достоинств пневматических форсунок высокого и низкого давлений предпочтение следует отдать последним. Во-первых, они обеспечивают более высокое качество распыления топлива вследствие большого удельного расхода воздуха; во-вторых, создаются бо­лее благоприятные условия для сжигания топлива в результате ин­тенсификации процесса смесеобразования. Кроме того, при этом рабо­тают низконапорные топливные насосы и вентиляторы, что ведет к снижению расхода энергии на электропривод.

 

К недостатку пневмати­ческих форсунок низкого давления следует отнести значительные габариты, которые возрастают с увеличением их производительности.

На рис. 19.9, а, б показаны конструкции соответственно центробежной механической и паровой форсунок.

 

В соответствии с общими положениями теории горения газообраз­ного топлива газовые горелки бывают:

- полного предварительного смешения (газ с воздухом смешивается до выхода из горелки) — кинетические;

- частичного предварительного смешения — диффузионно-кинети­ческие;

- внешнего смешения — диффузионные.

По способу подачи воздуха горелки делятся на инжекционные и дутьевые (с принудительной подачей воздуха). В соответствии с этим различают горелки низкого давления газа (до 5 кПа), среднего (5 кПа- 0,3 МПа) и высокого (более 0,3 МПа). Инжекционные горелки бывают только низкого и среднего давлений.

На рис. 19.10 показаны основные принципиальные схемы газовых горелок. В инжекционной горелке (рис. 19.10,а) вытекающий из сопла газ эжектирует (подсасывает) воздух и перемешивается с ним. Газовоз­душная смесь в инжекционной горелке горит в непосредственно при­мыкающей к ней насадке (туннеле) из огнеупорного материала. Из-за высокой температуры внутренней поверхности насадки горение гото­вой газовоздушной смеси протекает почти мгновенно и завершается внутри насадки. По этой причине такие горелки получили условное название беспламенных.

Схема простейшей горелки с принудительной подачей воздуха по­казана на рис. 19.10 б.В кольцевое пространство между внутренними трубами подается газ, а в кольцевое пространство между средней и наружной трубами поступает воздух, при этом конструкцией предус­матривается завихрение газовых и воздушных потоков. Газ зажигает­ся через внутреннюю трубу, через нее же наблюдают за работой горел­ки. Газ смешивается с воздухом в расширяющейся амбразуре, устро­енной в обмуровке топки.

Теплотехнические показатели работы топок

Важнейшая теплотехническая характеристика топочных устройств, основываясь на которой решают вопросы их конструкции и оценивают интенсивность работы, - тепловое напряжение объема топочного пространства.

Оно выражается отношением Q/V_T и представляет собой количество теплоты, выделившейся при сжигании определенного количества топлива в единицу времени и приходящейся на 1 м³ объема топочного пространства, т.е.

Если значение q_v будет превышать определенную числовую величину, установленную практически, то за время нахождения в топке топливо не сгорит полностью.

В слоевых топках, в которых часть топлива сгорает в слое, а другая часть в топочном пространстве, применяют еще одну характеристику интенсивности тепловой работы топки, называемую тепловым напряжением зеркала горения и имеющую вид:

 

q_R = Q/R = Q^р_н B/R, Вт/м²

где В -количество топлива, кг/с;

Q^р_н – количество теплоты, Дж/кг|

R – площадь поверхности зеркала горения, м².

Эта характеристика представляет собой количество теплоты, выделившейся при сжигании определенного количества топлива в единицу времени и приходящейся на 1 м³ площади поверхности зеркала горения. Установлено, что чем больше q_R, тем больше потеря теплоты от механического недожога вследствие уноса из пределов топки мелких, не успевших сгореть частиц топлива.