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.

Выбор котельного оборудования - важный и ответственный момент в инженерном обеспечении любого дома.

В настоящее время рынок водогрейных котлов промышленного назначения расширяется.

Многие хотят купить котёл дешевле, ставят один котёл большой мощности, вместо двух.

Для примера: При работе котла с ручной загрузкой топлива мощностью 1,5 Гкал./ч., топливо уголь. При загрузке котла открывается дверца, тяга из поддувала прекращается, через котёл проходит холодный воздух с топочной дверцы, плюс холодное топливо, результатом выше сказанного является охлаждение котла. Как показала практика, при каждой загрузке большого котла, температура теплоносителя снижается на пять-шесть градусов, чтобы поднять температуру теплоносителя до первоначального значения требуется минимум 20 минут. Загрузка происходит два раза в час. В этих условиях, чтобы сохранить температуру прибегают к "форсированному режиму", уменьшается время нагрева теплоносителя, вместе с этим температура дымовых газов увеличивается в два раза и доходит до 500 градусов. КПД котла резко падает с 80 до 40.

В сутки перерасход угля может доходить до 2500 кг или 7500 руб. В месяц 225000 руб. Перерасход угля достигает до 30%, дров до 50%.

Для сравнения на котлах до 0,8 Гкал/ч. при загрузке топлива теряем 1-2 градуса по теплоносителю, что соответствует 5-7 минутам работы котла на номинальном режиме, для выхода котла на прежний режим.

Ещё пример: Многие котлы, выпускаемые сегодня промышленностью, имеют ряд недостатков.

К ним можно отнести: невозможность или затруднительная очистка поверхности труб, накипеобразование, применение мощных вентиляторов (большое аэродинамическое сопротивление), применение циркуляционных насосов большей мощности (большое гидравлическое сопротивление), потери КПД после полугода эксплуатации из-за накипи и сажи.

При заказе котла на твёрдое топливо, особо обратите внимание на устройство топки.

Объём топочного пространства должен быть достаточен для сжигания именно вашего вида топлива (по теплоте сгорания топлива). Тут экономить не следует. Пламя в топке должно гореть ровным соломенным цветом, верх пламени не должен касаться потолочного экрана котла, а тем более уходить в экономайзерную часть. При этом необходимо обращать внимание на равномерное заполнение "зеркала горения" при загрузке.

Хорошие показатели достигаются при использовании "шахтных топок".

Рассмотрим горение сырого топлива в котлах. Если топка имеет недостаточный объём, то пламя, не достигнув максимальной температуры, касается холодных труб и гаснет, при этом происходит недожог горючих газов, унос их в экономайзерную часть котла и в атмосферу, интенсивное оседание сажи на стенках труб, в результате котёл не развивает номинальной мощности. Соответственно температура теплоносителя на входе в котёл менее шестидесяти градусов, стенки труб при этом покрываются конденсатом (или как ещё говорят: "котёл плачет"). Происходит отложение сажи, КПД котла резко уменьшается, котёл работает "вхолостую", как правило, в этом случае приходится начинать с чистки котла.

Это цепная реакция на пренебрежение к пламени. Вспомните, как горит костёр. Сравните количество топлива, и высоту пламени, а теперь представьте, если горит одновременно 300 кг дров, опила, стружки, угля.

"Шахтная топка" или "Топка с зажигательным поясом" не имеет этих недостатков, т.к. развитию пламени ничего не мешает, а раскаленный шамотный кирпич во многом помогает, при загрузке свежей порции топлива (сушит, температура пламени так резко не опускается). Возможно применение отработанных газов, но это путь к дополнительным затратам с менее эффективными результатами.

Многие спрашивают, зачем нужна линия рециркуляции воды в котельной?

В современном котлостроении, когда КПД котла превышает 70%, а то и 94%, температура уходящих дымовых газов может иметь значение 120 - 180 оС. Как правило, такие температуры уходящих газов бывают при межсезонной эксплуатации, когда температура теплоносителя даже на выходе из котельной не превышает 60 оС.

Рассмотрим понятие "точка росы". В уходящих дымовых газах имеется влага, так вот чем ниже температура горения, тем ниже температура теплоносителя. При прохождении дымовых газов через котел, особенно через экономайзерную часть, на стенках холодных труб конденсируется влага. Это приводит к интенсивному отложению сажи, серы, в результате - коррозия металла. Отсюда следует потеря КПД котла и преждевременный износ. Особенно это наблюдается при работе котлов на мазуте и неочищенной нефти (образование кислот).

Этого можно избежать, если с учётом применяемого топлива, настроить линию рециркуляции так, чтобы "обратная вода" попадала в котёл с температурой выше "точки росы". При такой эксплуатации котёл легче выходит на номинальный режим, с хорошим КПД и мощностью. Линия рециркуляции в котельной требуется и по ряду других причин, будь то авария на трассе или запуск холодных котлов.

Многие заказчики, не обращают внимания на наличие термометров на отработанные газы и тягонапоромеров. Или эти приборы отсутствуют в котельных.

Рассмотрим пример эксплуатации без термометра на выходе дымовых газов, при работе нескольких котлов на одну дымовую трубу, с дымососом.

Без термометра здесь не обойтись. В ГОСТе указаны максимальные температуры уходящих газов на номинальном режиме эксплуатации (180-280 градусов).

Превышение или уменьшение этой температуры ведёт к преждевременному выходу из строя котла или дымовой трубы, перерасходу топлива. Не зная температуры уходящих газов не настроить агрегат на номинальный экономичный режим. Регулировки производятся шибером с использованием показаний тягонапоромера.

При заказе котлоагрегатов, желательно производить подбор с учётом их гидравлического сопротивления при номинальном расходе воды через котёл.

При правильной регулировке котла, подборе сетевых насосов, разница температуры теплоносителя на номинальном режиме, между входом и выходом из котла составляет от 10 до 30 градусов, в зависимости от КПД котла и вида топлива. Гидравлическое сопротивление по котлу при этом может изменяться, в зависимости от количества пропущенной через котел воды.

Котлы с большим показателем сопротивления по воде, требуют более мощных сетевых насосов, а так же тщательной регулировки задвижками, при работе в паре с котлом с меньшим показателем сопротивления.

Регулировка котла по количеству проходящей воды, возможна без применения счётчика, так при номинальном режиме работы котла, при помощи входной задвижки, перекрывая её можно добиться разницы в температуре теплоносителя по "паспорту". Следует отметить, что "паспортных" величин можно добиться, ёсли температура теплоносителя на входе в котёл будет минимум 60 градусов. Для примера, при температуре воды 40 градусов разница будет составлять 6-8 градусов, при температуре воды 90 градусов на входе, на выходе может доходить до 120 градусов.

Следует обратить внимание и на маркировку котлов по топливу. С одной и той же маркировкой буквы "К", котлоагрегат может работать на всех видах твёрдого топлива, но за основу производительности берётся "антрацит" или "каменный уголь".

При заказе котла, следует знать теплоту сгорания Вашего топлива, прочитав ГОСТ, применить поправочный коэффициент. Заказ же котла произвести с учётом этих расчётов и не забудьте при заказе, что если стоит буква "Д" поинтересоваться объёмом топки котла или комплектацией отдельной топкой. И с учётом потерь тепла по различным причинам, будь то человеческий фактор или иной, заказ по мощности котла нужно производить на порядок выше, а с учётом наших непредсказуемых зим иметь запасные котлы.

Несколько слов о газоходах в котельных: газоходы должны быть выполнены с учётом сжигаемого топлива. Также следует учесть количество котлов, наличие "газоотбойников", необходимо предусмотреть увеличение сечения газохода после каждого котла, следует уделить внимание "газоплотности" и утеплению, по возможности утеплить дымовую трубу срок службы трубы при этом увеличивается в 2-3 раза.

Особенности сжигания низкосортных топлив.

При сжигании низкосортных топлив (повышенной зольности и влажности) сильно осложняется работа всех узлов и участков котельного агрегата, снижается надежность работы самого котла, дымососов и другого вспомогательного оборудования.

По данным испытаний (ВТИ, НПО ЦКТИ) присосы в топках доходят до 15 - 20%, вместо проектных 4 - 5%, а за котлом доходят до 70% вместо 30% по нормам. Это приводит к значительным потерям с уходящими газами.

Наряду с увеличенными потерями теплоты с уходящими газами (q2), ощутимо увеличиваются потери с механическим недожогом (q4). Общий КПД котла при работе на низкосортных углях снижается (по сравнению с работой на качественных углях) на 5 - 7%.

Расчетные зависимости теоретической температуры в топке θa = Ta - 273°C от зольности и влажности углей показывают, что повышение зольности Ас на каждые 10% приводит к снижению теоретической температуры в топке на 40 - 100°С (в зависимости от влажности). Температура в очаге горения при этом снижается на 30 - 90°С.

Уменьшение Wр на 10% повышает теоретическую температуру горения на 100 - 160°С, а температуру в ядре горения на 85 - 130°С (в зависимости от зольности).

Так, теоретическая температура горения угля с калорийностью 3600 ккал/кг составляет 1349°С (при сжигании каменного угля с калорийностью 5000 ккал/кг она составляет 1495°С).

Необходимо отметить, что Нормативный метод расчета котельных агрегатов для высокозольных топлив дает несколько заниженное значение температуры газов на выходе из топки θ"m, что обусловлено сильным влиянием золы на оптическую плотность среды в топке.

Снижение температуры в ядре горения вредно. Оно приводит к увеличению доли неоплавленных остроугольных золовых частиц в уносе, что может приводить к эрозии хвостовых поверхностей нагрева. Высокие температуры ядра горения необходимы не только для снижения доли неоплавленных высокоэрозионных частиц, но и с точки зрения обеспечения заданного теплосъема в топочной камере.

Объем топочной камеры

Для успешного сжигания низкосортных углей непременным условием является снижение величины теплонапряжения топочного объема (Q/V).

В котлах малой мощности величина теплонапряжения топочного объема Q/V, полученная из конструктивных расчетов

Q/V = 0,4 ÷ 0,5 Гкал/м³/ч

для сжигания низкосортных топлив является недопустимо большой.

Это говорит о том, что мал объем топочной камеры, нет необходимой высоты для стабилизации горения низкосортных топлив. (Для информации: - это участок, где выдерживается соотношение (CO2max - CO2min) / CO2 = 0,3).

Величина Q/V при сжигании каменных углей не должна быть больше 0,3 ккал/м³/ч, а при сжигании низкокачественных топлив величина теплонапряжения топочного объема должна быть существенно меньше.

Зажигательный пояс

Устройство в топочных камерах зажигательных поясов позволяет сжигать топлива с низкой теплотой сгорания (до 2000 ккал/кг).

В случае необходимости сжигания еще менее калорийных топлив необходим подогрев дутьевого воздуха.

Для предотвращения шлакования котла необходимо, чтобы факел не касался ограждений в пристенных зонах топочной камеры и отсутствовала полувосстановительная газовая среда, а температура на выходе из топки при номинальной нагрузке не превышала температуру начала размягчения золы более, чем на 50°С.

Равномерность подачи топлива

При переходе на сжигание низкокачественных топлив еще более ужесточаются требования, предъявляемые к равномерности подачи топлива.

Колебания в подаче топлива и воздуха (окислителя) приводят к появлению в одних местах котла окислительных, а в других - восстановительных зон горения, что является причиной потери устойчивости и надежности котла, потери нагрузки и даже прекращения горения.

Конструктивные особенности котла

Применяемые конструкции топочных камер котлов малой мощности квадратного поперечного сечения являются наилучшей конструкцией с точки зрения равномерности температур и тепловых потоков по периметру топки, но крайне не достаточной высоты.

Конструкции типовых котлов малой мощности привлекают компактностью, решениями компоновки трубных систем и грамотным построением гидравлических схем.

Для продолжения дальнейших разработок котлов малой мощности необходимо использовать следующие конструктивные зависимости:

Сравнение значений, полученных из расчетов типовых котлов малой мощности и необходимых значений, приведенных на графиках (для твердотопливных котлов мощностью 1 Гкал/ч)

Особенности конструирования котельных установок малой мощности, работающих на отходах пиления и обработки древесины

Все рабочие процессы в котельной установке - это взаимодействие (теплообмен) двух организованных потоков: газов (продуктов горения топлива) и нагреваемой воды (в водогрейных котлах, на которых, в силу указанных выше причин, и остановим внимание).

Топочные устройства или просто топки бывают двух основных видов: слоевые и камерные. Слоевые топки применяют при сжигании кускового твердого топлива. Топливо в таких топках сгорает в плотном слое на колосниковой решетке. Оптимальная высота слоя для каждого вида топлива своя и также зависит от влажности топлива. Например, при сжигании опилок высота слоя рекомендуется порядка 300 мм. Камерные топки предназначены для сжигания мелкофракционного топлива (например, угольной пыли) непосредственно в топочном объеме (камере). В последнее время для сжигания опилок разработаны и успешно работают топки с кипящим слоем и топки со смешанным камерно-слоевым горением. Топки с кипящим слоем выполняются с цепной решеткой, что усложняет и удорожает их конструкцию и ограничивает применение таких топок для котлов малой мощности. Топки камерно-слоевого горения за счет интенсификации горения, наоборот, требуют меньшей площади колосников и объема топочной камеры. В таких топках на колоснике размещается, как бы, очаг поддержания горения для периодически вдуваемого в камеру топлива. Не сгоревшее в вихре камеры топливо оседает на колосники, образуя очаг.

При сжигании древесины выделяется большое количество горючих газов (летучих веществ), поэтому пламя древесины имеет значительную высоту - до 2-х метров. При низкой высоте топочной камеры пламя упирается в свод теплообменника, охлаждаемый теплоносителем, летучие остывают, оседают на своде. Происходит недожог смол и других летучих веществ. Соответственно они оседают на трубах теплообменника и закоксовывают его. Это значительно снижает общий КПД котла. Поэтому для надежной и качественной работы котла на отходах деревообработки высота топочного пространства над колосниками должна быть не менее 2-х метров.

Очень важна для сжигания опилок с относительной влажностью выше 20% температура дутьевого воздуха. Очевидно, что дутье с температурой воздуха выше 100 градусов позволяет подсушивать опилки при их подаче в факел, а при нагреве древесины опилок до 300 градусов С происходит возгонка летучих составляющих и ее самовозгорание, что еще более интенсифицирует горение.

По виду топливоподачи топки бывают ручные, механизированные и автоматизированные, а котельные бывают автоматические. В котельных-автоматах постоянное присутствие оператора не требуется. Ручные слоевые топки оборудуются простой неподвижной колосниковой решеткой, под которую подводится вентиляторное дутье воздуха. В механических топках операции подачи топлива, выноса шлака и золы механизированы. В автоматизированных котельных установках управление механизмами (включение и выключение в нужный момент) выполняют специальные устройства (например, температурные реле или реле времени).

Особенности устройства и работы котлов на жидком топливе.

Отличие жидкотопливных и твёрдотопливных котлов в основном по длине и объёму камеры сгорания. При заказе котла изучите технические характеристики существующей горелки, длину и ширину факела на номинальном режиме. Топка котла при этом должна быть длиннее факела горелки примерно на 150мм., что предотвращает недожог топлива.

Технические характеристики горелок как отечественных, так и импортных имеют большое отличие. Прежде чем приобрести котёл - подберите горелку, удовлетворяющую вашим требованиям и топливу.

Для помощи в более качественном сжигания любого отечественного топлива, при применении как импортных так и отечественных горелок, нашим предприятием изготовлен мазутоподогреватель ИжПМ, позволяющий сжигать любое топливо (подробности в разделе).

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. -

Поверочный расчет топочной камеры заключается в определении действительной температуры дымовых газов на выходе из топочной камеры котлоагрегата по формуле:

, о С (2.4.2.1)

где Т а – абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К;

М – параметр, учитывающий распределения температур по высоте топки;

- коэффициент сохранения теплоты;

В р – расчетный расход топлива, м 3 /с;

F ст – площадь поверхности стен топки, м 2 ;

- среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

- степень черноты топки;

Vc ср – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м 3 топлива в интервале температур
, кДж/(кг К);

– коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м 2 К 4).

Для определения действительной температуры , предварительно задаемся ее значением в соответствии с рекомендациями
. По принятой температуре газов на выходе из топки и адиабатической температуре сгорания топлива О а определяем тепловые потери, а по принятой - излучательные характеристики газов. Затем по известным геометрическим характеристикам топочной камеры получаем расчетным путем действительную температуру на выходе из топки.

Поверочный расчет топки проводим в следующей последовательности.

Для принятой предварительно температуры
определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 2.2.1
.

Полезное тепловыделение в топке подсчитываю по формуле:

КДж/м 3 (2.4.2.2)

где Q в – теплота, вносимая в топку воздухом: для котлов не имеющих воздухоподогревателя определяется по формуле:

, кДж/м 3 (2.4.2.3) кДж/м 3

Q в.вн. – теплота, внесенная в котлоагрегат с поступающим в него воздухом, подогретым вне агрегата: принимаем Q в.вн = 0, так как воздух перед котлом КВГМ-30-150 в рассматриваемом проекте не подогревается;

rH г.отб. – теплота рециркулирующих продуктов сгорания: принимаем rH г.отб. = 0, так как конструкцией котла КВГМ-23,26-150 рециркуляция дымовых газов не предусматривается

Теоретическую (адиабатную) О а температуру горения определяем по величине полезного тепловыделения в топке Q т = Н а.

По таблице 2.2.1 при Н а = 33835,75 кДж/м 3 определяем О а = 1827,91 о С.

Определяем параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки (х т) при сжигании газа по формуле:

, (2.4.2.4)

где
, (2.4.2.5)

где Н г – расстояние от пода топки до оси горелки, м;

Н т – расстояние от пода топки до середины выходного окна топки, м;

Для котла КВГМ-23,26 расстояние Н г = Н т, тогда х т = 0,53.

Коэффициент тепловой эффективности экранов определяем по формуле:

, (2.4.2.6)

где - коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятие экранов вследствие загрязненности или закрытия изоляцией поверхностей; принимаем
;

х – условный коэффициент экранирования; определяем по номограмме , при S = 64мм, d = 60мм, S/d = 64/60 =1,07, тогда х = 0,98;

Определяем эффективную толщину излучающего слоя в топке:

, м (2.4.2.7)

где V т, F ст – объем и поверхность стен топочной камеры, м 3 и м 2 . Определяем по конструкторской документации на котел КВГМ-23,26-150.

V т = 61,5 м 3 , F ст = 106,6 м 2 ;

Коэффициент ослабления лучей для светящегося пламени складывается из коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (к r) и сажистыми частицами (к с) и при сжигании газа определяется по формуле:

,
(2.4.2.8)

где r п – суммарная объемная доля трехатомных газов: определяется из таблицы 2.1.2.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами k r определяем по формуле:

,
(2.4.2.9)

где р п - парциальное давление трехатомных газов;

, МПа (2.4.2.10)

где р– давление в топочной камере котлоагрегата, работающего без продувки: р = 0,1 МПа, ;

- абсолютная температура газов на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами определяем по формуле:


,
(2.4.2.11)

Где соотношение содержания углерода и водорода в рабочей массе топлива: для газового топлива принимается:

, (2.4.2.12)

Степень черноты факела (а ф) для газообразного топлива определяется по формуле:

где а св – степень черноты светящейся части факела, определяем по формуле:

(2.4.2.14)

а r – степень черноты несветящихся трехатомными газами, определяется по формуле:

; (2.4.2.15) m– коэффициент, характеризующий долю топочного объема заполненного светящейся частью факела.

Определяем удельную нагрузку топочного объема:


, кВт/м 3 (2.4.2.16)

тогда m = 0,171 .

Степень черноты топки при сжигании газа определяется по формуле:

(2.4.2.17)

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.