Джерела енергії і генератори енергії

Формула для визначення Q виведена на основі законів термодинаміки хімічних реакцій Гесса і Кірхгофа, має такий вигля

Q =Σ(-t)-(t - t) (57)

Тут

Σ=,

де і -відповідно об'єм і питома теплоємність триатомних і двоатомних газів; -об’єм повітря, що відповідає коефіцієнтові зайвини повітря у відхідних газах αвід;  - питома теплоємність повітря; -температура відхідних газів; t - температура холодного повітря, яке надходить в агрегат; t- температура теплоти згоряння палива.

З формули (57) виводять окремі формули для Q. Якщо теплоту згоряння взято при температурі повітря, що надходить в агрегат, тобто, t= t то

Q =Σ(-t) (58)

Якщо прийнято, що t = 0° С, то

Q =Σ- t (59)

Q = і - і . (60)

При теплових розрахунках котельних агрегатів користуються другою окремою формулою, записуючи її в такому вигляді:

Q = і-αі (61)

Тут і - ентальпія відхідних газів при зайвині повітря α від і температурі , і - ентальпія теоретичної кількості холодного повітря, що надходить в агрегат,

q=100=100% (62)

При механічно неповному горінні в формули для Q і q вводиться поправка, яка враховує зменшений через механічний недопал об'єм продуктів згоряння. У цьому випадку

q= (100-q)% (63)

Як видно з наведених формул, основними факторами, що визначають втрату Q, є об'єм і температура відхідних газів. Об'єм газів у свою чергу залежить від коефіцієнта зайвини повітря у відхідних газах α = α +Δα, де α - коефіцієнт зайвини повітря в топці, а Δα - коефіцієнт присосу повітря в агрегаті через нещільності обмурівки в газоходах, що працюють під розрідженням.

Тому агрегат повинен працювати не тільки з мінімальним αт, який забезпечує достатню повноту згоряння палива, а й з мінімальними присосами повітря.

У той самий час для зменшення Q і q і відповідно збільшення ηк.а потрібне глибоке охолодження газів в агрегаті. Межа доцільної глибини охолодження продуктів згоряння визначається техніко-економічними розрахунками, бо при дуже глибокому охолодженні газів сильно зростають розміри теплосприймаючої поверхні нагріву. Чим вище вартість палива, менше його вологість і більше годин використовується агрегат, тим нижча оптимальна температура відхідних газів. У великих котлоагрегатах при спалюванні маловологого палива температура відхідних газів становить 115-130°С.

Втрата теплоти від хімічної неповноти згоряння визначається сумарною теплотою згоряння продуктів неповного горіння, що містяться у відхідних газах. Як уже зазначалось, при оптимальному процесі спалювання продуктів горіння у них може бути деяка кількість окису вуглецю.

Під час проектування величина q встановлюється залежно від виду палива і типу топкового обладнання, відповідно до рекомендацій, які наводяться в нормах теплового розрахунку котельних агрегатів.

У процесі випробування діючого агрегату q визначають з даних аналізу продуктів згоряння. Для найпоширенішого випадку наявності в димових газах тільки СО розрахункову формулу для Q дістають з таких співвідношень:

V=Vм/кг;

кДж/ м;

 кДж/ м; (64)

При механічно неповному згорянні у формулу для Q вводять поправку q аналогічну до поправки для Q.

Q виникає через незадовільне використання кисню повітря внаслідок недосконалого перемішування палива з повітрям і незадовільну аеродинаміку топки. Крім того, можуть бути й інші причини: недостатня загальна кількість повітря, низька температура топки тощо.

У топках раціональної конструкції при нормальній їх експлуатації q становить менше ніж 1%.

З інших однакових умов із зростанням коефіцієнта зайвини повітря в топці, починаючи з α=1, втрата q зменшується. В той самий час із зростанням α зростає втрата q.

Якщо дослідним способом визначити залежність суми q + q від α, то можна знайти таке значення α, яке відповідає мінімуму суми втрат з відхідними газами і від хімічної неповноти згоряння.

Втрати теплоти від механічної неповноти згоряння. При спалюванні твердого палива шлак і провал, що видаляються з топки, а також летка зола, що виноситься в газоходи, містять певну кількість горючих речовин (вуглецю). Тому в загальному випадку втрати Q дорівнюють сумі. У камерних топках провалу немає, і для них Q=.

Аналогічно до q під час проектування величину q оцінюють на підставі нормативних матеріалів. Під час випробування Q визначають за формулою

кДж/кг (65)

де  і α-частинки золи палива у шлаку, провалі та у виносі; Г і Г-вміст горючих у шлаку і провалі та у виносі в%, він визначається в лабораторії.

Величина q залежить від властивостей палива (зольності, наявності дріб'язку, виходу летких речовин, спікливості), типу топки (камерна, шарова, механічна, ручна), режиму процесу спалювання і коливається в широких межах - від 1-2% у великих камерних топках до 10-15% у дрібних установках. При наявності q4 оптимальне значення αт відповідає мінімумові суми втрат q + q + q.

У тепловому розрахунку при визначенні об'ємів і ентальпій продуктів згоряння поправка на механічну неповноту згоряння не вноситься. Для визначення сумарних об'ємів продуктів згоряння, що рухаються в газоходах котлоагрегату, вводять розрахункову витрату палива В. що визначається з урахуванням q за формулою:

 (66)

де В - дійсна витрата палива, яка обчислюється за формулою (55).

Втрата в навколишнє середовище (від зовнішнього охолодження). Втрата q тим менша, чим більша одинична видатність агрегату. Для даного агрегату втрата q зменшується із зростанням його навантаження. При часткових навантаженнях q можна визначити із співвідношення:

 (67)

де D-номінальна видатність агрегату; q - втрати від зовнішнього охолодження при D.

Для потужних енергетичних котлоагрегатів величина q дуже мала і становить частки процента (0,2-0,3%).У дрібних установках q може досягти 3-4%. Величина q оцінюється на підставі графіків або табличних даних, які наводяться в нормативних матеріалах і довідковій літературі.

Втрата з фізичним теплом шлаку здебільшого невелика. В тих випадках, коли її слід ураховувати (наприклад, при рідкому шлаковидаленні), вона визначається за звичайними формулами для обчислення ентальпії речовини. Ще рідше доводиться ураховувати втрату на охолодження панелей і балок, не включених у циркуляцію котла.

4. Конструкції топок

4.1 Шарові топки

У топках з шаровим спалюванням палива основними трудомісткими робочими процесами є: завантаження палива на решітку; прошуровування (просування, розрівнювання) шару палива; видаляння шлаку.

Залежно від ступеня механізації цих процесів розрізняють топки з ручним обслуговуванням, топки з частковою механізацією і механічні шарові топки. Раніше у невеликих котельних установках, устаткованих котлами потужністю до 10 т пари на годину, застосовувались майже винятково шарові топки з ручним обслуговуванням. Останнім часом в цих установках широко застосовуються топки з частковою або комплексною механізацією трудомістких процесів. Зараз розроблено і опробовано недороге і ефективне топкове обладнання, що дає можливість в невеликих установках полегшити працю обслуговуючого персоналу і досягти високого коефіцієнта корисної дії топки.

Шарова топка походить від найпростішого типу топки - нерухомої горизонтальної колосникової решітки з ручним обслуговуванням.

Широке застосування її в малих установках пояснюється простотою, надійністю і дешевизною, універсальністю щодо можливості спалювання різноманітних видів твердого палива, високою стійкістю процесу горіння.

Принципова схема ручної шарової топки з горизонтальною колосниковою решіткою показана на мал. 4-1. Решітка складається з 4-х рядів нерухомих колосників 3, на яких лежить паливо. Колосники виготовляють або у вигляді чавунних плиток (плиткові), або у вигляді брусків (брускові, балочні). У зольник (піддувало) 4 вентилятором нагнітається повітря, яке крізь отвори або щілини в колосниках і між ними, тобто крізь живий переріз решітки, надходить у шар палива. Зараз застосовують колосникові решітки з малим живим перерізом, що становить менш як 15% площі решітки. Над решіткою розміщений топковий простір 2, а над ним - променесприймальна поверхня нагріву 1. Свіже паливо вручну закидається на шар гарячого палива через завантажувальний (шурувальний) отвір 5. Завантажувальні дверці 6 закріплюються на рамі, з'єднаній з каркасом котла. Шлак видаляється в зольник, для чого установлюється кілька перекидних (поворотних навколо горизонтальної осі) колосників.

Ручні горизонтальні топки мають багато недоліків: потребують застосування важкої фізичної праці для обслуговування; працюють періодично; мають невисокий к.к.д. топки; через обмежену довжину колосникових решіток утруднюється можливість їх застосування навіть під невеликими котлами; при одиничній видатності (понад 5 т пари на годину) обмежена питома потужність решітки; висока чутливість до фракційного складу палива (за розмірами кусків); низька видатність і економічність під час роботи на паливі з великим вмістом дріб'язку; працюють з підвищеним коефіцієнтом зайвини повітря в топці, що зумовлює значну втрату теплоти з відхідними газами.

Ці недоліки настільки істотні, що в наш час відмовляються від застосування у невеликих установках горизонтальних топок з ручним обслуговуванням і все ширше застосовують топки з частковою або повною механізацією трудомістких процесів паливоспалювання. Це полегшує працю обслуговуючого персоналу, основною функцією якого стає керування механізмами і контроль за їх роботою.

Топки із закидачами. Дуже поширеними топками з частковою механізацією подачі палива на решітку є топки із закидачами.

Вони бувають трьох типів: з механічним, з пневматичним і комбінованим пневмомеханічним закиданням.

На мал. 4-2 подано топку ПМЗ-ЦКТІ з пневмомеханічним закиданням палива на горизонтальну решітку з поворотними (або хитними) колосниками.

Пневмомеханічний закидач (мал. 4-3) складається з плунжерного живильника 1, ротора-закидача 2 і повітряних сопел, розміщених під закидачем. Напрям обертання ротора (правий) такий, що вугілля в топку закидається лопатками в той час, коли вони знаходяться у верхньому положенні. Виробність по вугіллю регулюється числом ходів плунжера і величиною його ходу. Лопатки закидача прикріплені до барабана під кутом, що забезпечує віялоподібний закид.

Суміщення механічного (основного) і пневматичного (додаткового) закидання дає можливість добитись кращого, ніж при механічних або пневматичних закидах, розподілу вугілля по решітці.

У топці ПМЗ-ЦКТІ можна спалювати кам'яне вугілля і антрацити. Нормально топка працює на вугіллі, попередньо роздрібненому на куски, менші за 40 мм. При спалюванні рядового вугілля із значним вмістом дріб'язку топки працюють погано.

Шахтні топки. Для спалювання кускового торфу в невеликих котельних установках застосовуються шахтні топки з похилим дзеркалом горіння. Колосникова решітка шахтної топки складається з двох рядів похилих і двох рядів горизонтальних колосників. Торф завантажується з вагонетки великими порціями в паливний бункер, звідки надходить у шахту, розміщену над колосниковою решіткою. В міру вигоряння торфу і видалення (з нижнього горизонтального ряду колосників) вогнищевих залишків торф з шахти надходить на колосникову решітку і просувається вздовж похилих колосників під впливом сили тяжіння.

У шахтних топках, як і взагалі в топках з похилим дзеркалом горіння (похилих, східчастих), стадії горіння палива розділені по місцю: у верхній частині відбувається теплова підготовка, в середній - горіння коксу, а в нижній - допалювання. Обслуговування шахтних топок потребує менших фізичних зусиль персоналу порівняно з обслуговуванням ручних горизонтальних топок.

Топки з шурувальною планкою. Основним елементом топок цього типу є нерухома плоска колосникова решітка, вздовж якої пересувається паливо. Рух палива здійснюється за допомогою клиновидної планки, що періодично переміщується через певні проміжки часу, установленої поперек колосникового полотна. Швидкість ходу планки регулюється, при цьому задається програма чергування ходів певної довжини (коротких і довгих). Під час руху планки відбувається живлення шару свіжим паливом, підломлювання шлаку, прошуровування шару і видалення шлаку. Топки з шурувальною планкою можуть застосовуватися для спалювання кам'яного і бурого вугілля під котлами з невеликою видатністю - до 10-12 т пари на годину.

Топки з ланцюговими решітками. Найпоширенішими механічними шаровими топками є топки з ланцюговими решітками.

Ланцюгова решітка - це нескінченне колосникове полотно, що рухається разом з паливом, яке лежить на ньому (мал. 4-5). Основою ходової частини ланцюгової решітки є два або декілька ланцюгів, що несуть на собі колосники. Залежно від способу кріплення колосників розрізняють бімсові і безбімсові, або безпровальні решітки.

Тепер у нашій країні серійно виробляють тільки решітки безпровального типу (БЛР - безпровальні ланцюгові решітки). Решітка БЛР порівняно з бімсовою значно легша і дешевша, надійніша і економічніша в експлуатації. Решітки потрібного розміру складаються із стандартних серійно виготовлених секцій.

У решітках БЛР колосники 11 вміщені в обойми-колосникотримачі 10, прикріплені до ланцюгів. Нескінченні ланцюги натягнені на зірочці 12 і шківі 8. Ведучим є передній вал. Натяг ланцюга регулюють переміщенням заднього вала.

Привод решітки здійснюється електродвигуном через редуктор, що дає можливість змінювати швидкість руху решітки від 4 до 20 м/год. Іноді з цією метою застосовують електродвигуни з кількома ступенями швидкості.

У передній частині решітки установлено відсічний охолоджувальний шибер 3 для регулювання товщини шару палива. В кінці ланцюгової решітки установлюється шлакознімач 9.

Конфігурація топкових камер в топках з ланцюговими решітками в основному подібна до топок, в яких спалюють різні види палива. Вона характеризується наявністю низько опущеного довгого заднього склепіння і відносно високо розміщеного короткого переднього склепіння. Так, для антрациту і кам'яного вугілля заднє склепіння, завдовжки близько половини довжини решітки, розміщається на висоті 0,9-1,0 м від решітки, а переднє - завдовжки близько чверті довжини решітки - на висоті 2-2,5 м.

Заднє склепіння спрямовує потік гарячих газів у зону надходження свіжого палива, що сприяє його займанню. Переднє склепіння добре прогрівається топковими газами, не закриває від випромінюючих твердих частинок і газів зону попередньої підготовки палива і сприяє стабілізації високої температури в передній частині решітки. Звуження топкової камери, утворене переднім і заднім склепіннями, і рух під заднім склепінням газового потоку у напрямку до фронту топки сприяють перемішуванню топкових газів, горінню винесених із шару твердих частинок і горючих газів і утворенню зони високих температур. Цьому сприяє і гостре дуття, що подається з сопел, установлених на одному із склепінь.

При нормальній роботі топки ланцюгова решітка рухається безперервно. Режим роботи топки регулюють зміною товщини шару вугілля на решітці за допомогою шибера - регулятора шару, зміною швидкості переміщення решітки і відповідним режимом тяги і дуття. Регулювання повітряного режиму топки полягає в підтримуванні потрібного тиску повітря під різними дільницями решітки (4-5 зон по довжині решітки). Шлакознімач у кінці решітки дає можливість підтримувати на решітці певний шар шлаку і робити випал пального із шлаку, підтримуючи допустиму величину видимої теплонапруги дзеркала горіння.

Діапазон видатності котлоагрегатів, під якими можуть установлюватись ланцюгові решітки, досить широкий. Наші заводи випускають ланцюгові решітки, починаючи з розмірів 1260 мм х 5500 мм до розмірів 4590 мм х 7900 мм. У разі потреби під котлоагрегатом установлюють дві решітки.

Ланцюгові решітки дають змогу механізувати подачу вугілля в топку і видаляння шлаків, але не забезпечують прошуровування і розрівнювання шару палива. Цей основний їх недолік пояснюється тим, що паливо, яке надходить на решітку, повільно рухається разом з решіткою і не має ніяких відносних переміщень.

Найефективніше топки з ланцюговою решіткою працюють на малоспікливому і спісненому сортованому вугіллі з розмірами фракцій від 6 до 25 мм. У цьому разі к. к. д. топки високий (91-94%). Спалювання дужеспікливого вугілля супроводжується зростанням втрати від механічної неповноти згоряння q4 до 8-10%. При значному вмісті в паливі дріб'язку, особливо при спалюванні рядових антрацитів, втрата q4 може досягти 15-20%.

З цієї ж самої причини (непрошуровування шару) топки з ланцюговою решіткою працюють з погіршеними показниками при спалюванні високозольного палива. В них можна задовільно спалювати паливо із зольністю на суху масу А0 до 15-20%. Звичайні топки з ланцюговою решіткою без спеціального додаткового обладнання непридатні також для спалювання високовологого палива.

Топка з ланцюговою решіткою і з пневмозакидачем - двоступінчаста топка ВТІ-Комега (С.А. Тагера). У неї застосовується пневмозакидання палива і сортування його по довжині решітки і висоті шару, двоступеневе спалювання, при якому паливо спочатку. спалюється у своєму шарі, а потім допалюється в топковому об'ємі виділеного шару горючого газу і відвіяного пилу, а в разі потреби забезпечення нижнього запалювання за допомогою застосування установленої під решіткою в передній частині топки поперечної балки або труби (вогневої балки). Внаслідок цих особливостей істотно підвищується (приблизно в 1,5 рази) питома потужність  ланцюгової решітки при роботі на рядовому кам'яному і бурому вугіллі.

Шахтно-ланцюгова топка. Для спалювання у котлоагрегатах видатністю понад 10 т/год такого вологого палива, як кусковий торф доцільно застосовувати шахтно-ланцюгові топки (Т.Ф. Макар'єва). Шахтно-ланцюгова топка (мал. 4-7) характеризується наявністю передтопки із східцями, на яких затримується частина палива, що надходить з шахти. Через фронтальну стінку шахти підводиться гаряче повітря, внаслідок чого на східцях утворюються вогнища горіння. Продукти згоряння пронизують основну масу торфу і підсушують його до надходження на решітку.

У шахтно-ланцюговій топці кусковий торф можна спалювати з присадкою на шар фрезерного торфу, застосувавши для цього спеціальне ежекційне обладнання для фрезерного торфу.

Шахтно-ланцюгові топки при нормальній вологості торфу Wр = 45-50% працюють добре. Для поліпшення роботи топки на торфі з високою вологістю потрібно застосовувати додаткові обладнання (наприклад, розміщеної під східцями «вогневої» балки).

Перештовхувальні решітки і топки з нижнім подаванням палива. Перештовхувальні решітки не набули у нас поширення, а великі топки з нижнім подаванням палива не застосовуються взагалі. Тому можна обмежитися лише короткою характеристикою цих конструкцій.

Існує три групи перештовхувальних решіток: похило-перештовхувальні, каскадні і зворотно-перештовхувальні. Колосникове полотно похило-перештовхувальних решіток складається з рухомих і нерухомих колосників, які чергуються між собою по довжині; в кінці решітки установлюються великі шлакові колосники. Рухомі колосники рухаються зворотно-поступально і переміщають та прошуровують шар палива. Хід колосників невеликий - до 100 мм. У топках цього типу можна спалювати паливо з підвищеною зольністю до Ас = 30¸35%.

Каскадні і зворотно-перештовхувальні топки відрізняються великим ходом колосників - до 400 мм і, внаслідок цього, інтенсивним прошуровуванням шару, що дає можливість спалювати в таких топках дуже зольне паливо із зольністю Ас = 50% при високій теплонапрузі дзеркала горіння. Проте механізація в цих топках коштує надто дорого ускладнюється конструкція, колосники виготовляють з хромистого чавуну, підвищуються витрати та ремонт і т.п.

Великі топки з нижнім подаванням палива складаються з похилих реторт з прорізами, в яких переміщаються плунжери, що подають свіже паливо під шар того, що горить. Ці топки мають дуже досконале паливоспалювальне обладнання, але в них можна ефективно спалювати лише обмежений асортимент вугілля, яке відповідає цілому ряду вимог щодо зольності, вологості, виходу летких речовин, спікливості.

4.2 Камерні (факельні) топки

Найпоширеніші камерні (факельні) топки. Вони широко застосовуються в енергетичних котлоагрегатах великої і середньої потужності для спалювання різних видів палива.

Пилоприготування. Тверде паливо перед спалюванням у камерній топці здрібнюється на тонкий пил. Тонкість помелу палива характеризується залишком R% (у процентах від початкової наважки) на ситах певного розміру. Найчастіше для визначення тонкості помелу застосовують сито №70, з отвором 88 мк. Для кожного виду палива визначається тонкість помелу, яка відповідає мінімумові експлуатаційних витрат. При цьому враховується, з одного боку, економія палива, яку дає тонкий помел, з другого боку - витрати енергії на розмелювання. Основною характеристикою палива, що визначає оптимальну тонкість помелу, є вихід летких речовин. Чим він менший, тим тонший повинен бути помел. Так, при спалюванні антрациту тонкість помелу характеризується залишком на ситі №70 R88 = 7¸8%, при спалюванні ж палива з великим виходом летких речовин можна допускати залишок R88, що дорівнює 50% і більше.

Страницы: 1, 2, 3, 4