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 поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, площадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур. Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным перекрытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых -- колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.

Полная площадь поверхности стен топки (F CT ) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на элементарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих экранов и освещенной длины труб.

1. Определение площади ограждающих поверхностей топки

В соответствии с типовой обмуровкой топки котла ДКВР-20-13, которая показана на рисунке 4, подсчитаем площади ограждающих её поверхностей, включая поворотную камеру. Внутренняя ширина котла равна 2810 мм .

Рисунок 4. Схема топки котла ДКВР-20 и её основные размеры

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.

KОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
3.1 Классификация котлов
Часть котла, где происходит горение топлива, называется топкой. При горении топлива в топк котла высвобождается тепло, которое передается от продуктов сгорания (газов горения) через металлтческие поверхности нагрева воде. Топки разделяются на камерные и слоевые.
В камерных топках сжигают газообразные, жидкие и твердые (пелеты или гранулы) топлива. Горение проходит в объеме топки. Тесно связана с камерной топкой горелка. Наиболее простая классификация горелок по виду сжигаемого топлива: газовые, горелки жидкого топлива, горелки твердого топлива (для пелет или гранул).

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

Котлы со слоевыми топками можно разделить на следующие основные типы:

- котлы с верхним горением (рис. 3-3а)

Котлы с нижним горением (рис. 3- 3в)

Котлы с поворотным пламенем и т.д.

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


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

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

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

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

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

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

Для характеристики работы топок пользуются различными показателями:

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

B – расход топлива, kg/s

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

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

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

R – площадь поверхности решетки, m 2

V – объем топочной камеры, m 3

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


где G – расход воды через котел ,

h 1 – энтальпия воды на входе в котел

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

где q 2 – потери тепла с уходящими газами;

q 3 – потери тепла от хим. недожега;

q 4 – потери тепла от мех. недожега;

q 5 – потери тепла от выстывания котла;

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

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

Потери от наружного выстывания;

Q k.f. – физическая теплота топлива;

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

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

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

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

Q 3 – от химического недожега;

Q 4 – от механического недожега;

Q 5 – от выстывания котла;

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

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

где

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

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

α v . g – коэффициент избытка воздуха

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостаточное количество воздуха, полаваемого в топку,

Плохое смешивание воздуха с топливом,

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

Низкая температура в топке, которая снижает скорость горения;

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

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

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

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

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

Р r , Р v , Р lt – процентное % содержание горючего вещества в трех горючих остатках.
Q t k – используемое тепло kJ/kg;

1. 
   Тепловые потери от внешнего выстывания котла

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

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

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

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

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

1. 
   Теплопотери с физическим теплом шлака

где α r – относительное количество удаляемого шлака из топки котла

t r – температура шлака 0 С

c r – удельная теплоемкость шлака kJ/ kg∙K

1. 
   Горелки твердого топлива

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

Рис. 3.6 STOKER – горелка.

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

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

Итак, сначала давайте проясним, о чём идёт речь.

К первой группе относятся следующие решения на российском рынке котёл Junkers + горелка EcoTec, и прочее. Конструктивно данное решение представляет из себя твердотопливный котёл с установленной в него пеллетной горелкой.

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

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

Чем отличается пеллетная горелка от топочной арматуры

Во-первых, пеллеты на пеллетной горелке горят лучше, чем на топочной арматуре, всё дело в том, что на специализированной пеллетной горелке установлены датчики, влияющие на сжигание пеллет (например, датчик температуры, оптический датчик пламени) и дополнительные активные механизмы (ворошитель золы, система автоподжига) . Усложнение горелки ведёт с одной стороны к более высокому КПД котла в целом , однако, с другой стороны, расплата за это - более сложная (а следовательно и дорогая) система управления.

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

Система подачи пеллет

У пеллетных горелок система подачи пеллет «разбита» на две независимые части, каждый со своим отдельным электромотором – внешний шнек и внутренний шнек , соединённые как правило легкоплавным шлангом , что является дополнительной защитой (помимо основных) от обратного огня.
У котлов переделанных из опилочных пеллеты на топочную арматуру подаётся жестким шнеком.

Из разницы в системе подачи вытекают прочие отличия:

Бункер – в горелках с жестким шнеком размеры бункера ограничен. хотя возможна надстройка существующего бункера. В сисемах с пеллтнными горелками возможно конструирование бункера любого размера.

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

1.	труба шнека, опускаемая в бункер	7.	стенки котла с теплоносителем
2.	электромотор внешнего шнека	8.	воздуховод
3.	легкоплавкий шланг*	9.	шнек подачи пеллет в зону горения
4.	шнек внутреннего бункера	10.	нагнетатель воздуха
5.	внутренний бункер горелки (дозатор)	11.	зона горения пеллет
6.	лепестковый клапан*

Запуск «холодной» пеллетной горелки

фото 1. Вентилятор

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

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

Режим нормальной работы пеллетной горелки

После розжига, горелка переходит в режим нормальной работы. Предварительно установив требуюмую мощность горелки (например, Вы приобрели горелку мощностью 25 кВт для отопления 150 кв. метров, в этом случае оптимальным будет уменьшение мощности горелки до 10-15 кВт) устанавливается температурный диапазон работы горелки, например, нижняя граница 70 С, а верхняя 85 С. Алгоритм следующий – при достижении температуры теплоносителя верхней границы котел останавливается и переходит в режим stand-by, после чего температура начинает опускаться, затем, при переходе нижней границы, котёл автоматически запускается. Информация об изменении температуры поступает с внешнего датчика температуры, установленного в систему отопления (батареи) или внутреннего датчика котла. Соответственно, чем больше это диапазон, тем более длительные перерывы могу быть между включением/выключение пеллетного котла.

Запуск из режим stand-by

Запуск из режима stand-by происходит при пересечении нижней установленной температурной границы. Основное отличие от процедуры холодного запуска котла, заключается в том , что в этом случае первоначально включается вентилятор, который разжигает тлеющие пеллеты. В отдельных случая возможно включение внутреннего шнека, с целью подачи новых пеллет взамен прогоревших. Система автоподжига может включаться после нескольких попыток неудачного запуска (хотя это говорит пожалуй о том, что со времени остановки котла прошёл значительный период времени и запуск может считаться «холодным»).

Динамическое изменение мощности работы горелки

Под динамическим изменением мощности мы подразумеваем следующую ситуацию, допустим, как в примере выше, Ваша горелка работает в режиме 75% от возможной мощности, т.е. этого достаточно для нормального функционирования системы отопления и обеспечения требуемого комфорта. В случае, например, зимой, понижения температуры окружающей среды, горелка будет длительней достигать верхней границы и быстрей опускаться до нижней, однако настроенной мощности будет хватать для отопления Вашего дома.

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

Остановка горелки в штатном режиме

После поступления команды от пульта управления или внешнего выключателя (например GSM modem) отключается внешняя система подачи пеллет, а внутренний шнек подает оставшиеся пеллеты в зону горения, одновременно вентилятор начинает подавать воздум с максимальной скоростью, для скорейшего прогорания оставшихся пеллет. После прохождения заданного периода времени и поступления сигнала об отсутствие пламени пульт управления отключает горелку. Стоит отметить, что при выключении горелки возможно продолжение мониторинга (температуры и пламени для предотвращения возникновения обратного огня) в течение некоторого времени.

Тонкая настройка пеллетной горелки

При наличии дополнительных датчиков пеллетной горелки возможна тонкая настройка её работы.
В качестве регулируемых параметров изменяется скорость подачи пеллет и объём подоваемого воздуха.
В качестве индикаторов используются температурные датчики, лямбда зонд, датчики температуры дымовых газов , датчики давления и т.д.
Оптимальные параметры работы пеллетной горелки определяются исходя из требований клиентов, но, как правило, это наименьший расход топлива.