МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
М.Я. Кузнецова
Котельні установки промислових підприємств
(частина 2)
Конспект лекцій
для студентів Інституту енергетики та систем керування
Затверджено
на засіданні кафедри теплотехніки і
теплових електричних станцій
Протокол № від 2013 р.
Львів - 2013
Кузнецова М.Я. Котельні установки промислових підприємств (частина 2): Конспект лекцій для студентів Інституту енергетики та систем керування. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013. – 187 с.
Розглянуто принципи роботи і конструкції котельних установок та їх основних елементів. Наведені відомості про енергетичні палива і організацію їх спалювання, висвітлено основні питання теплообміну в топці, гідродинаміки котла і аеродинаміки газоповітряного тракту. Розглянуто питання конструктивного оформлення котельних установок та їх ефективної і надійної роботи.
Відповідальний за випуск Кузнецова М.Я., канд. техн. наук, асист.
Рецензенти
Тема 1. Спалювання газоподібного палива. Класифікація топок і пальників для газоподібного палива. Спалювання газоподібного палива з низькою та високою теплотою згоряння. Спалювання газу разом з іншими видами палива. Експлуатація газових топок. Особливості розрахунку газових пальників і топок.
Основними горючими складовими більшості газоподібних палив є оксид вуглецю СО, водень Н2, метан СН4 і рідше високомолекулярні вуглеводні СmНn.
Під час розрахунків горіння газоподібного палива, як правило, використовують результативні реакції між горючими складовими палива і окисником. Такі реакції дають уявлення лише про кінцевий результат згорання окремих складових палива не відображаючи фактичного ходу процесу горіння. Насправді механізм горіння газу складніший і характеризується наявністю ряду проміжних хімічних реакцій, які протікають в певних фізичних умовах. Нагадаємо, що горіння основних складових газу протікає за розгалуженим ланцюговим механізмом.
Повнота, інтенсивність і стійкість горіння газів насамперед залежать від фізичних чинників (температури і умов змішування пального з окисником). Підвищення температури газоповітряної суміші згідно закону Ареніуса викликає збільшення швидкості реакції і визначає тепловиділення, яке пропорційне величині 
. Якщо тепловтрати зони горіння, які викликані теплообміном з навколишнім середовищем, перевищують тепловиділення то процес горіння є неможливим. Для окремих горючих газів і газоподібних палив існує температура займання, яка залежить від умов протікання процесу (тепловіддача). Температура займання водню складає 410-630, оксиду вуглецю 610-660, метану 630-790°С. Температура займання природного і доменного газів близько 530°С.
Вплив температури на процес займання і інтенсивність горіння газів дозволяє зробити наступні висновки:
- температура в топці котла має бути вищою за температуру займання горючої суміші інакше горіння буде нестійким;
- попередній підігрів горючої суміші (компонентів горіння) прискорює запалення і інтенсифікує процес горіння.
На інтенсивність і повноту горіння, а також на характеристику факела (розміри, світимість, температурний рівень) першочерговий вплив має фактор змішування газового палива з окисником. При недостатньому перемішуванні горючого газу з повітрям окисні реакції сповільнюються При цьому можлива поява продуктів неповного горіння (хімічний недопал), а при спалюванні вуглеводневих газів також і продуктів їх термічного розкладу. Зменшення хімічного недопалу при поганому перемішуванні вимагає збільшення коефіцієнта надлишку повітря в топці αт, що приводить до збільшення втрати теплоти з відхідними газами.
Рис. 1. Принципи організації спалювання газоподібного палива:
а) без попереднього змішування газу і окисника; б) з повним попереднім змішуванням з утворенням однорідної суміші; в) з неповним попереднім змішуванням без утворення однорідної суміші; г) з частковим попереднім змішуванням з недостачею окисника
К - фронт кінетичною горіння, Д - фронт дифузійного горіння
Залежно від способу подачі в топкову камеру газів і повітря (окисника) і умов їх змішування розрізняють наступні варіанти організації процесу горіння (рис. 1): з зовнішнім (після пальника) змішуванням газу і повітря (рис. 1 а), який називають дифузійним принципом горіння; з повним попереднім (в пальнику) змішуванням з утворенням однорідної суміші (рис. 1 б) - кінетичним принципом горіння; з неповним попереднім змішуванням без утворення однорідної суміші (рис. 1 в) і з частковим попереднім змішуванням з утворенням однорідної суміші але з недостачею окисника в початковій суміші (рис. 1 г). Останні два випадки організації процесу горіння газу відносяться до змішаного дифузійно-кінетичного принципу горіння.
Залежно від відносного вмісту первинного повітря в початковій добре перемішаній газоповітряній суміші 
(відношення кількості повітря в суміші до теоретично необхідного для горіння) можна проводити спалювання по одній з вище вказаних схем. Так, при α = 0 має місце дифузійне, при α ≥ 1 - кінетичне, а при α < 1 змішане дифузійно-кінетичне горіння. Змішане горіння відбувається і при α >1 однак при недостатньо ефективному перемішуванні.
Вміст повітря в початковій газоповітряній суміші має значний вплив на межу стійкості роботи пальника. Нормальна робота пальника характеризується факелом який стабілізувався в певному об'ємі і не змінює свого просторового розташування. Нестійка робота пальника пов'язана з можливими явищами пульсуючого затягування (проскакуванням) полум'я в пальник або навпаки з відривом полум'я.
На рис. 2 показані приблизні межі стійкості полум'я залежно від α і швидкості газоповітряної суміші на виході з пальника.
Рис. 2. Криві стійкості полум'я
Нижня межа стійкого горіння змінюється по кривій, яка нагадує криву зміни швидкості горіння залежно від концентрації газоповітряної суміші. Верхня межа стійкого горіння при збільшенні α різко знижується. Таким чином, горіння є стійким в широкому діапазоні швидкостей лише при малій кількості первинного повітря в початковій горючій суміші. Стійкість горіння в цьому випадку пов'язана з існуванням хорошого джерела займання - дифузійного факела, який виникає в камері при горінні газу за рахунок вторинного повітря.
З збільшенням α межа стійкого горіння скорочуються, оскільки вплив дифузійного фронту займання зменшується. При α = 1 дифузійне горіння взагалі відсутнє і горіння суміші є стійким лише у дуже вузькій межі. Щоб в цих умовах запобігти відриву полум'я від пальника необхідно підвищити температурний рівень в зоні горіння для забезпечення безперервного займання газоповітряної суміші. Останнє вирішується шляхом встановлення керамічних тунелів між пальником і топкою, а також організацією підсосу розжарених продуктів горіння до кореня факела. З збільшенням діаметру пальника збільшується можливість проскакування полум'я в пальник.
Залежно від організації процесу спалювання газу може здійснюватися в короткому або довгому факелі. Якщо газ і окисник подаються в топкову камеру роздільно то згорання газу може відбуватися в розтягнутому факелі по мірі змішування газу з повітрям. Факел при цьому часто виходить освітленим (при спалюванні газу з великим вмістом СmНn і місцевій недостачі повітря). При спалюванні попередньо приготованої газоповітряної суміші факел виходить коротким (не освітленим). При цьому значно підвищується глибина горіння і зменшується потрібний надлишок повітря.
Таким чином процес змішування пального з окисником має вирішальний вплив па характер горіння газів.
Перемішування паралельних потоків газу і окисника поліпшується при збільшенні їх відносної швидкості; значний ефект на процес змішування має подача потоків під кутом один до одного; умови сумішоутворення істотно покращуються при подрібненні потоків, які змішуються, на окремі струмені (це широко використовується в газових пальниках); перемішування покращується у випадку якщо потоки зустрічають на своєму шляху перешкоду у вигляді стінки, погано обтікаємого тіла або перетину яке звужується (каналу); перемішування також покращується при використанні так званого «гострого» дуття, тобто при введенні з великою швидкістю додаткових струменів повітря, які турбулізують основний потік.
З викладеного виходить, що умовами раціонального спалювання газоподібного палива є:
- хороше (бажано попереднє) перемішування газу з окисником;
- підвищення температурного рівня процесу, що досягається підігрівом компонентів горіння, а також зниженням (в певних межах) коефіцієнта надлишку повітря, що приводять до збільшення швидкості розповсюдження полум'я;
- створення хороших джерел займання і стабілізації горіння, що досягається підсосом в корінь факела гарячих продуктів горіння і дією розжареної обмурівки на факел;
- збільшення поверхні фронту горіння, що досягається турбулізацією факела і розподілом газоповітряного потоку на ряд дрібних струменів.
Класифікація топок і пальників для газоподібного палива
Газоподібне паливо спалюється в камерних топках. Якщо спалюються тільки гази (або разом з рідким паливом) камера може мати контури, як показано на рис. 3 а. При спалюванні газу разом з вугільним пилом в нижній частині топкової камери передбачається воронка для видалення твердих залишків, які випадають з факела (рис. 3 б).
Рис. 3. Схеми топкових камер для спалювання газу
а) при спалюванні газу або газу разом з рідким паливом; б) при спалюванні газу і вугільного пилу
В топкову камеру газ і окисник подаються через пальники. Призначення пальника, крім введення в топку необхідних для досягнення заданої продуктивності агрегату кількостей газу і окисника, є організація сумішоутворення і створення на виході стійкого фронту займання для запалення газової суміші, яка виходить з пальника.
Для спалювання газів використовується велике число різних типів пальників, які відрізняються як за принципом роботи так і по конструктивному оформленню.
За способом організації перемішування компонентів горіння пальники можна розділити на пальники без попереднього змішування, пальника з повним попереднім змішуванням, пальника з неповним попереднім змішуванням і пальника з частковим попереднім змішуванням.
Пальники без попереднього змішування і з частковим попереднім змішуванням, а також пальники з неповним попереднім змішуванням при спалюванні газів, які містять вуглеводні, дають розтягнутий видимий факел, який світиться. Більш довгий факел характерний для пальників без попереднього змішування. Пальники, які дають при роботі видимий факел називають факельними. Пальники з повним попереднім змішуванням газу і окисника дають дуже короткий невидимий факел. Такі пальники умовно називають безполум’яними.
Пальники класифікують і по інших ознаках Так, за способом подачі повітря пальника поділяють на дві групи: з примусовою подачею повітря від вентилятора і з подачею повітря шляхом ежектування його газовим струменем або за рахунок розрідження в топці. В свою чергу пальники з примусовою подачею повітря від вентилятора (дуттєві пальники) по характеру потоків ділять на прямоточні і вихрові. В прямоточних пальниках структура факела залежить від форми гирла пальника, яка може бути прямокутною, щілинною або круглою. Вихрові пальники можуть бути з простим тангенціальним, з равликово-тангенціальним, а також з лопатково-тангенціальним або аксіальним підведенням повітря.
За способом регулювання закручування (крутки) потоку застосовують пальники з змінним січенням вхідного патрубка або живого січення лопаток завихрювача; з зміною кута нахилу лопаток; з перепусканням частини повітряного потоку повз завихрювач. Спосіб підведення повітря в дуттєвих пальниках має вирішальний вплив на форму факела і кут його розкриття, розмір зони рециркуляції газів, інтенсивність турбулентного перемішування і т.п.
По тиску газу пальники можна розділити на пальники низького тиску (перепад тиску в пальнику до 500 Па), середнього тиску (500-30000 Па) і високого тиску (вище 30000 Па).
За швидкістю витікання продуктів згорання з пальника їх можна розділити на пальники з низькою (близько 5 м/с), середньою (близько 20 м/с) і високою (близько 100 м/с) швидкістю витікання.
Розрізняють пальники і по ступеню автоматизації їх керування - пальники з ручним управлінням, напівавтоматичні, автоматичні.
Для котлів малої продуктивності, а також для опалювальних установок знаходять використання однопровідні інжекційні пальники (атмосферні пальники) часткового і повного змішування. Інжекційні пальники, які працюють на газі середнього тиску, забезпечують повне перемішування газу та повітря в змішувачі і спалювання газу при невеликих надлишках повітря. Недоліками таких пальників є їх значні розміри і шум при роботі.
Найбільше використання в котельних установках знайшли дуттєві пальники з примусовою подачею повітря і газу.
Конструктивні особливості пальників залежать від характеристики спалюваного газу (теплота згорання, запиленість і ін.) і тиску газу та повітря. Важливим показником, який впливає на попереднє сумішоутворення і оформлення пальника, є співвідношення кількості спалюваного газу і необхідного для цього окисника. Так, на 1 м3 доменного газу з низькою теплотою згорання (
=3,75 МДж/м3) при αт = 1,05 потрібно близько 0,8 м3 холодного або 1,6 м3 гарячого повітря (tп≈270°С), а на 1 м3 природного газу ( = 36,8 МДж/м3) - 9,81 м3 холодного або близько 20 м3 гарячого повітря.
