Джерела енергії і генератори енергії

Курсова робота
Джерела енергії і генератори енергії
Вступ
Сукупність усіх видів енергетичних ресурсів, підприємств по їхньому видобутку, виробництву, транспортуванню, перетворенню і використанню з метою забезпечення споживачів різними видами енергії складає паливно-енергетичний комплекс країни (ПЕК).
Найважливішими складовими ПЕК є енергетика і паливна промисловість.
Енергетика – галузь народного господарства, що охоплює одержання, перетворення, передачу і використання різних видів енергії й енергетичних ресурсів. Кінцевим результатом функціонування енергетики як галузі промисловості є корисна енергія, тобто енергія, що надходить до споживача і забезпечує корисну роботу промислових, транспортних, сільськогосподарських, будівельних і інших машин, систем, установок, приладів. Темпи розвитку енергетики обумовлюються безупинно зростаючим попитом на енергію у всіх сферах людської діяльності – виробничої, наукової, управлінської, охорони здоров’я, комунально-побутової, культурної й ін. З другої половини XX в., в умовах науково-технічної революції, потреби суспільства в енергії, і насамперед в електричній, ростуть особливо швидко.
Ступінь задоволення виробництва в електричній, механічній і тепловій енергіях визначає енергооснащеність праці – показник, що характеризує зв’язок витрат живої праці з виробничим споживанням енергії.
Підвищення енергооснащеності праці – одне з основних умов прискорення темпів науково-технічного прогресу, росту продуктивності праці. В даний час значення енергетики для економіки нашої країни зросло настільки, що масштаби виробництва і практичного використання енергії й енергетичних ресурсів розглядаються як найважливіші показники економічного потенціалу країни, її виробничих (технологічних) і наукових можливостей. Розвиткові енергетики і насамперед електроенергетики в нашій країні завжди приділялося і приділяється найпильніша увага.
Основні види енергетичних ресурсів – органічне паливо (вугілля, нафта, природний газ), енергія водного потоку (гідроенергетичні ресурси), ядерна енергія, внутрішнє тепло Землі (геотермальні ресурси), енергія вітру і сонячного випромінювання (сонячної радіації).
1. Паливо
1.1 Види палива
Основним джерелом теплоти в промисловості, на транспорті, в сільському органічного походження. господарстві і в побуті є горючі речовини Останнім часом на електричних станціях і в установках спеціального призначення застосовують ядерне паливо. Застосування тієї чи іншої горючої речовини для технічних потреб визначається техніко-економічними і плановими міркуваннями.
Залежно від призначення технологічне і побутове.
Всі види органічного палива можуть бути поділені за агрегатним станом на тверді, рідкі і газоподібні, а за способом добування на природні й штучні.
До природного твердого палива належать: антрацити, кам’яне вугілля, буре вугілля, торф, дрова, горючі сланці, відходи промисловості і сільського господарства – здубиця, лушпиння, костриця.
Штучне тверде паливо: брикети (торф’яні, буро-вугільні, кам’яновугільні), кокс (кам’яновугільний, торф’яний, нафтовий) напівкокс (буро-вугільний, торф’яний); деревне вугілля, пил (вугільний, торф’яний, сланцевий).
Природне рідке паливо: нафта (сира нафта). Штучні рідкого палива: нафтові продукти – бензин, лігроїн, керосин, мазут, спирти, колоїдне паливо (суміш мазуту з вугільним пилом).
Природне газоподібне паливо – природний газ. До штучних видів газоподібного палива належать гази: доменний, коксовий, генераторний, напівкоксовий, крекінг-газ, газ підземної газифікації.
1.2 Загальні характеристики твердого й рідкого палива
Склад палива. Паливо в такому вигляді, в якому воно ходить до споживача, називається робочим паливом. Тверде й рідке робоче паливо складається з вуглецю С, водню Н, кисню О, азоту N, леткої (або горючої) сірки Sл, мінерал (точніше твердих негорючих) домішок А і вологиW.
Тверді негорючі домішки характеризують зольність палива. Тому величину А звичайно називають вмістом золи в паливі, хоча це не зовсім точно, бо шлак і зола – це вогнищеві залишки, що утворюються під час спалювання палива.
Склад твердого й рідкого палива прийнято виражати у вагових процентах. Якщо позначити ваговий процентний вміст компонентів у робочому паливі С/>, Н/>, О/>/> і т.д., то очевидно
C/> +H/> +O/> +N/> +S/> +A/> +W/> = 100% (1)
Отже, застосовується елементарний склад робочого палива (термін «елементарний» – умовний, оскільки А і W не хімічні елементи).
Паливо, з якого сушінням повністю видалена волога, називають абсолютно сухим паливом, або абсолютно сухою масою палива. Абсолютно сухе паливо містить шість компонентів, і його склад записується так:
C/>+H/>+O/>+N/>+S/>+A/> =100% (2)
де С/>, Н/> і т.д. – ваговий процент вуглецю, водню і т.д. в абсолютно сухому паливі.
Якщо припустити, що з абсолютно сухого палива виділені негорючі домішки А, то залишається п’ять компонентів, що становлять так звану горючу масу палива. Її елементарний склад:
C/> +H/> +O/> +N/> +S/> =100% (3)
Сірка в паливі міститься в різних сполуках: сульфатна S/> входить до складу сульфатів СаSO4, Na2SO4, К2SO4; колчеданна S/> – у сполуці з металами (звичайно з залізом у вигляді FeS2) і органічна S/> – у складі органічних сполук. Сульфатна сірка не горить, і її наявність ураховується в негорючих домішках А. Органічна і колчеданна сірки беруть участь у горінні, і їх сумастановить летку (або горючу) сірку палива S/>=S/>+S/>.
Якщо вилучити з горючої маси палива колчеданну сірку, то залишається паливо такого складу:
С° +Н° + O° +N° + S° = 100%. (4)
Такий склад палива називається органічною масою палива. Здебільшого вміст органічної сірки в паливі невеликий (десяті частки процентів). Тому іноді записують склад органічної маси палива спрощено: С° + Н° + O° +N° = 100%.
Види вологи і форми зв’язку її з органічною речовиною різні і досить складні. В теплотехніці прийнята не зовсім точна, але проста й зручна класифікація, за якою волога робочого палива Wр поділяється на два види: повітряну Wр, що видаляється при кімнатній температурі, і гігроскопічну Wр, що видаляється в сушильній шафі при температурі 102–105° С. Отже,
W/>= W/>+ W /> (5)
Паливо, з якого видалена повітряна волога, називаєтьcя повітряно-сухим паливом, або аналітичною пробою. Паливо цього складу використовують для проведення технічного аналізу в лабораторіях. Вміст гігроскопічної вологи, виражений у вагових процентах відносно до складу аналітичної проби, позначається Wa, відносно до складу робочого паливаW/>. Оскільки робоче паливо–PAGE_BREAK–
відрізняється від аналітичної проби вмістом W/>, то
W/> = W/>/> (6)
Склад аналітичної маси палива:
Cа + Hа + Oа + Nа +S/>+Aа +Wа=100%. (7)
Під час проектування і експлуатації котельних установок досить часто доводиться робити перерахунки складу палива. Склад робочого палива може значно змінюватися, бо величини A/> і W/> коливаються в широких межах. У той самий час склад горючої маси палива більш-менш стабільний. Це дає можливість за складом горючої маси із задовільною точністю визначати склад робочого палива, не роблячи щоразу повного елементарного аналізу палива. Перерахунки роблять у випадку надходження на склади палива із змінною вологістю, якщо треба підсушити паливо, під час лабораторних аналізів тощо.
Під час перерахунків треба визначити, вмістом яких компонентів відрізняється шуканий склад від заданого, і користуватися правилом пропорцій.
Найважливішою характеристикою палива є його горюча маса. Її склад для кожного виду палива дається в таблицях, якими найчастіше користуються під час перерахунків. Якщо відомий склад горючої маси (C/>, Н/>і т.д.), зольність Ар і вологість W/> робочого палива, то легко знайти елементарний склад робочого палива. Наприклад:
С/> = С/>/> (8)
Користуючись коефіцієнтом перерахунку />, можна визначити решту компонентів у робочому паливі (Н/>, О/> і т.д.). Аналогічно розв’язуються й інші завдання під час перерахунку складу палива.
Теплота згоряння. Теплота згоряння (тепловидатність) паливаQкДж/кг–це теплота реакції горіння палива, тобто та кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні 1 кг твердого або рідкого палива і при охолодженні продуктів горіння до початкової температури процесу.
У паливі міститься три горючі компоненти – вуглець, водень і сірка. Внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива утворюється водяна пара. Під час охолодження продуктів горіння можливі два випадки: Н2О залишається в димових газах у вигляді водяної пари; водяна пара конденсується. Це залежить від парціального тиску пари і кінцевої температури продуктів горіння. В першому випадку буде реалізована менша кількість теплоти, а в другому – більша, бо виділиться теплота конденсації водяної пари.
Тому розрізняють нижню (меншу) і верхню теплоту згоряння палива.
Для даного палива чисельно найменшою величиною буде нижня теплота згоряння робочого палива Q/>, а найбільшою – верхня теплота згоряння органічної маси Q/>. У розрахунковій практиці звичайно користуються величиною Q/>.
Залежність між верхньою і нижньою теплотою згоряння робочого палива можна визначити за формулою
Q/> =Q/> – Q/>, де
Q/> = rGn є теплотою конденсації тієї кількості водяної пари Gn, яка утворюється в процесі горіння. Внаслідок горіння водню, відповідно до стехіометричного співвідношення 2Н2 + O2 == 2Н2О, утворюється приблизно 9/>кг водяної пари. До цього треба також додати ще />кг водяної пари, що утворилася внаслідок випаровування вологи палива. Отже, G/>@/>кг.
Вважаючи, що r округлено (з урахуванням того, що парціальний тиск водяної пари в продуктах згоряння малий) дорівнює 2500 кДж/кг, дістанемо:
Qn =rGn =25 (9H/> + W/>) кДж/кг
звідси
Q/> = Q/> – 25 (9H/> + W/>) кДж/кг (9)
Аналогічно Q/>=Q/>-225 Н°. Такі співвідношення легко здобути для будь-якого складу палива. Паливо можна спалювати або при постійному тиску, або при постійному об’ємі. При цьому теплота згоряння при постійному об’ємі буде трохи більша, ніж при постійному тиску. Проте для переважної більшості палив різниця цянастільки мала, що нею нехтують.
Теплота згоряння палива не залежить від температур, якідіють під час процесу, але залежить від початкової і рівної їй кінцевої температур процесу. В технічних розрахунках користуються значеннями теплоти згоряння, здобутими при температурі +20°С.
Визначити теплоту згоряння палива можна по-різному. Наближені значення теплоти згоряння можна дістати з емпіричних формул, що зв’язують теплоту згоряння палива з його елементарним складом. Найкращою формулою цього типу є формула Менделєєва:
Q/>= 338С/>+1256H/> + 109 (O/>–S/>) -25 (9H/> – W/>) кДж/кг. (10)
Якщо відома теплота згоряння якогось складу палива (наприклад, горючої маси), то значення Q для іншого складу можна здобути перерахунком. Проте в цьому разі не можна, як і при перерахунку складу палива, обмежитися простим застосуванням правила пропорцій, а треба врахувати вплив на Q того чи іншого компонента. Наприклад, якщо відоме Q/> і треба знайти Q/>, то перерахунок робиться за такою формулою:
Q/>=Q/>/>25W/>(11)
Тут зольність робочого палива враховується один раз, а волога двічі – як компонент, що знижує кількість горючих речовин у паливі, і компонент, що потребує затрати теплоти для свого випаровування.
Більш надійно теплоту згоряння палива можна визначити в калориметричній установці, схему якої показано на мал. 1.
/>
Мал. – 1 калориметрична установка: 1-калориметрична бомба; 2-резервуар калориметра; 3 — двостінний захисний кожух з водою; 4 — мішалка; 5 — термометр; 6 — приводний механізм мішалки
Основним елементом установки є калориметрична бомба 1, в яку вміщують аналітичну пробу палива із встановленою в ній залізною дротинкою. Бомбу заповнюють киснем під тиском 25–30 бар і установлюють у посудину з водою. При вмиканні електричного струму проба палива займається від розжареної дротинки і згоряє, а теплота, що виділяється при цьому, передається воді і деталям калориметра.    продолжение
–PAGE_BREAK–
За підвищенням температури води (з урахуванням теплоти, переданої деталям калориметра, і поправок) визначають найвищу теплоту згоряння аналітичної проби Q/>.
Нижчу теплоту згоряння робочого палива можна знайти з результатів калориметричного визначення за формулою:
Q/>=Q/>/>25 (9Н/>+W/>) (12)
Для оцінювання запасів палива, його питомих витрат і різних зіставлень користуються поняттям умовного палива, теплота згоряння якого становить 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).
Баласт. Баластом робочого палива є сірка, зола і волога. Хоч сірка – горючий елемент, її вважають баластом, бо внаслідок її згоряння утворюються шкідливі продукти: сірчаний і (в невеликій кількості) сірчаний ангідриди. Сірчаний газ отруює атмосферу, а сірчаний ангідрид призводить до утворення сірчаної кислоти, яка роз’їдає метал елементів котлоагрегату.
Вміст леткої (органічної і колчеданної сірки) в горючій масі різних видів палива S/> може бути в межах: у торфі, деревині, малосірчастій нафті – 0,2–0,4%; в антрациті, кам’яному вугіллі, бурому вугіллі – 2–6%; сірчастому сланці – до 15%.
Зола палива складається з внутрішньої (первинної) і зовнішньої (прошарки породи, мінеральні речовини, внесені в процесі добування і транспортування палива). Для проектування котельного агрегату треба знати не лише, скільки золи міститься в паливі, а й її плавкість, склад і характер реакції.
Вміст золи в абсолютно сухій масі різних палив А/> коливається в широких межах: від 0,3% для нафти до 70% для сланців. Зольність кам’яного вугілля Ас становить 5–20%, бурого вугілля-15–35%; торфу (малозольного) – 4–10% і 10–20% (високозольного).
Плавкість золи характеризується температурами початку деформації t1, розм’якшення t2 і рідкоплавкого стану t3. Їх визначають у лабораторній печі. Значення цих температур залежить від складу золи і температури газового середовища, в якому відбувається нагрівання. З них найбільший інтерес для проектування топок становить температура початку розм’якшення t2. Залежно від температури рідкоплавкого стану t3 розрізняють: легкоплавку золу, якщо t3 1400°С.
Склад мінеральних домішок різних палив дуже різноманітний. Переважними компонентами звичайно є глинозем і кремнезем. Крім того, до складу золи входять сульфати, карбонати (кальцію), луги, хлориди та інші сполуки.
Сумарний характер реакції шлаку (кислий, основний, нейтральний), що утворюється під час спалювання палива, треба враховувати при виборі матеріалу для футеровки топки. Реакція шлаку і футеровки повинна бути одного знаку, бо інакше при різко вираженому характері реакції шлаку інтенсивно руйнуватиметься футеровка.
Вміст вологи в паливі Wр коливається від 2% у нафті до 65% у здубиці. Вологість кам’яного вугілля становить 5–10%, бурого вугілля 30–58%, торфу 35–50%.
Волога палива зменшує в ньому вміст горючих речовин, знижує нижню теплоту згоряння палива як споживач теплоти для свого випаровування; переходячи у вигляді водяної пари в продукти згоряння, збільшує їх сумарну теплоємність. Усе це температуру горіння і нерідко погіршує економічність і стійкість процесу спалювання.
Вихід летких речовин. При нагріванні палива без доступу повітря (суха перегонка) відбувається термічний розклад палива з виділенням так званих летких речовин і твердого нелеткого залишку. Леткі речовини – це суміш газів і пари (пірогенетичної вологи, СО2, пари первинних смол, СО, Н2, СmНn, Н2S). Їх кількість і склад є важливими характеристиками палива.
До складу твердого залишку, що називається коксом, або нелетким залишком, входять вуглець С і зола А. Кокс може мати вигляд порошку, мало зв’язаних крупинок, міцної щільної або ніздрюватої маси.
Вихід летких речовин у вагових процентах на горючу масу коливається від 4% для антрациту до 85% для нафти і сланців. Проміжне положення по значенню Vг посідають: пісне кам’яне вугілля 10–15%, полум’яне кам’яне вугілля 20–45%, буре вугілля 50–60%, торф 70%.
Процес сухої перегонки при температурі 1050–1100° С називається коксуванням і широко застосовується для добування високоякісного металургійного коксу. Рідше застосовується напівкоксування палива (в основному бурого вугілля) – суха перегонка при 500–600° С. Основна мета такого процесу – здобуття цінних рідких і газових продуктів.
1.3Характеристика окремих видів палива
Дрова. Деревина є дуже цінним матеріалом для будівництва мебельної, целюлозної й інших галузей промисловості. Тому застосовувати її як паливо недоцільно. Роль деревини в паливному балансі нашої країни дуже мала і з кожним роком зменшується.
Основою деревини є клітковина, або целюлоза (С6Н10О5), її вдеревині близько 70%. Друга складова деревини – лігнін, (СmНnОр). У ньому більше вуглецю і менше кисню, ніж у клітковині. Середній склад органічної маси деревини С° = – 50,0%, Н° == 6,1%, O° +N° == 43,9%. Теплота згоряння Q/> = 18 420 кДж/кг.
Склад і теплота згоряння одного кілограма органічної маси деревини дуже мало залежить від породи дров. У деревині дуже мало сірки, небагато золи (А/>=1¸2%), але багато вологи; у свіжоспиляних дровах W/>=50%, в однорічних W/>=25¸30%. Теплота згоряння однорічних дров Q/>=11720 кДж/кг.
Торф. Торф – це перший (наймолодший за геологічним і хімічним віком) продукт розкладання скупчень рослинних залишків при дуже обмеженому доступі повітря. Під час розкладання виділяються СОз, Н2О, СН4 і NНз. Твердий продукт розкладання характеризується високим вмістом вуглецю і більш низьким вмістом кисню.
Склад торфу коливається в широких межах. Він визначається властивостями рослинних залишків (гумусовий, сапропелітовий, бітумінозний торф) і мірою їхнього розкладання (малорозкладений, дуже розкладений торф). Приблизний середній склад торфу такий: С°=58.0%, Н°=5,8%, О°=34,2%, N =2,0%, його теплота згоряння Q = 22 190 кДж/кг. Вміст сірки S=0,2–0,3%.
Зольність робочої маси торфу верхових торфовищ невелика (до 10%), низинних – значна (20% і більше). Вологість робочого палива 35–50%.
Залежно від способу добування розріняють кусковий (машиноформований, гідроторф) і фрезерний торф (дрібняк). У техніко-економічному відношенні найдоцільніший спосіб добування торфу – фрезерний.
Буре вугілля. Буре вугілля геологічно і хімічно старіший, ніж торф, продукт розкладання рослинних залишків. Міра його вуглефікації вища, склад і властивості коливаються також у широких межах. Приблизний середній склад і теплота згорання бурого вугілля: С°=68,5%, Н°=5,5%, О°=25%,N°=1,0%, Q°=27210 кДж/кг.
Робоче паливо характеризується звичайно високою сірчастістю (Sл – 1–3%), зольністю (А =10 – 25%) і вологістю. Вологість хімічно старого бурого вугілля Wр =30%, а молодого вугілля – 55–58%. Основні типи бурого вугілля за структурою: кускуваті, землисті, лігніти.
Торф і буре вугілля належать до місцевих низькосортних видів палив, яке доцільно використовувати недалеко від місця добування (в радіусі 100–150 км).
Кам’яне вугілля. Кам’яне вугілля – наступний (у розумінні геологічного і хімічного віку) продукт глибокої вуглефікації рослинних залишків. Термін « кам’яне вугілля» – широкий і збірний. Він об’єднує багато різноманітних за своїми властивостями видів палива. До загальних ознак, що відрізняють кам’яне вугілля від бурого вугілля і торфу належать: відсутність видимих неозброєним оком рослинних залишків, мала гігроскопічна вологість Wа 31400 кДж/кг.
Основні марки кам’яного вугілля і його класифікацію подано в таб. 2. В основу класифікації покладено: вихід летких речовин Vі характеристика нелеткого залишку.
Таблиця 2
Позначення
Назва марки вугілля
V, %
Характеристика нелеткого залишку
Д
Г
Г Ж
Ж
К Ж
К
О С
СС
Т
ПА
А
Довгополум’яне
Газове
Газове жирне
Жирне
Коксове жирне
Коксове
Спіснене спікливе
Малоспікливе
Пісне
Напівантрацит
Антрацит
понад 37%
менше 35%
30 – 37%
понад 24%
менше 18%
менше 17%
14 – 22%
17 – 37%
7 – 8%
менше 10%
менше 8%
Порошкоподібний
Малоспікливий
Помірноспікливий
Помірноспікливий
Щільноспікливий
Щільноспікливий
Помірноспікливий
Малоспікливий
Порошкоподібний
Порошкоподібний
Порошкоподібний     продолжение
–PAGE_BREAK–
Кам’яне (і буре) вугілля класифікуються також за розміром кусків у мм: крупний К (50–100,) горіх О – «орех» (25–50), дрібний М – «мелкий» (13–25), насіннячко С – «семечко» (6–13) і штаб Ш (
Дуже важливе значення для енергетики України має донецький антрацит. Склад його горючої маси: Сг =94%, Нг =2%, Ог =2%, Sг =1%. На великих електростанціях застосовують антрацитовий штиб АШ із зольністю А до 20% і вологістю W=5–10%.
Горючі сланці. Горючі сланці є сумішшю сапропелітових (нафтоподібних) продуктів, які утворилися внаслідок розкладання багатих на жири водних мікроорганізмів, що припинили свою життєдіяльність, з мінеральними речовинами, що потрапили в сапропелітові скупчення внаслідок обвалів, замулювань тощо. Сланці відзначаються великим виходом летких речовин (Vг до 85%), високим вмістом водню (Нг до 10%) і високою зольністю (Аг до 70%), помітну частину якої становлять карбонати (СаСО3).
Дуже ефективний метод використання сланців – суха перегонка. Їх застосовують також для енергетичних потреб і на великих теплових електростанціях.
Нафта. Нафта–складна суміш вуглеводнів різного складу. Розрізняють шість її типів. Основні з них – метанова і нафтенова. До останнього часу була загальноприйнятою органічна теорія походження нафти. Нині знову висувають варіанти теорії її мінерального походження. Нафту класифікують також за вмістом сірки (малосірчаста S20°С).
Нафта – дуже цінна сировина для хімічної промисловості, виробництва легких палив, мастил та ін. Тому для енергетичних потреб використовують тільки відходи нафтопереробної промисловості – мазути. Склад мазуту мало відрізняється від складу нафти: C =86–88%, H =10 – 11%. Із сірчастих нафт виробляють високосірчасті мазути, в яких вміст сірки S досягає 4%.
Вологість мазуту W=2–3% (якщо під час зливання застосовують паровий розігрів, то W до 5%), а теплота згоряння Q= 39 770 кДж/кг. Мазут – перспективне паливо.
1.4Газоподібне паливо
У котельних установках широко застосовується газоподібне паливо: природний і доменний гази. Інші штучні гази або зовсім не застосовують для енергетичних потреб, або застосовують дуже рідко (газ підземної газифікації).
На відміну від інших видів палива, склад газоподібного палива задається звичайно в об’ємних процентах. При цьому в розрахунках вводиться нормальний кубічний метр сухого газу. Крім сухої частини, гази містять також домішки: водяну пару, пил, смоли, кількість яких задається в грамах на 1 м3 сухого газу. Теплота згоряння газоподібного палива – це теплота реакції горіння 1 м3 газу. Її можна визначити спалюванням у спеціальній калориметричній установці (типа юнкерса), або калориметричною бомбою; підрахунком за складом газу і відомою теплотою згоряння окремих компонентів
Q= 128СО + 107Н2+ 355СН4 + 628СmН nкДж/м3. (13)
Природні горючі гази поділяють на сухі гази суто газових родовищ і попутні «жирні» гази, що супроводжують нафтовидобуток.
Сухий природний газ є сумішшю вуглеводнів, невеликої кількості інертних газів і сірководню. Основною складовою такого газу є метан, вміст якого досягає 80–98%, решта складових – вуглеводні метанового ряду СnН2n+2, N2, СО3 і Н2S. Природний газ – висококалорійне паливо, теплота згоряння його Q=(33,5–35,5) 103 кДж/м3.
Доменний (колошниковий) газ містить окис вуглецю (20–30%), водень (5–10%), азот (50–55%) і двоокис вуглецю (6–12%). Теплота згоряння його мала: Q= 4,18103 кДж/м3. Доменний газ використовують на металургійних заводах як паливо котельних установок і технологічних печей.
2. Горіння палива і газові розрахунки
2.1 Стехіометричні співвідношення
Горінням називають процес інтенсивного з’єднання горючої речовини з окислювачем (киснем), що відбувається при високих (1000–2000°С) температурах і характеризується інтенсивним тепловиділенням.
Процес горіння навіть найпростіших за своїм хімічним складом горючих речовин досить складний і для багатьох речовин ще мало вивчений. Ще складніший він для таких комплексних сполук, як органічне тверде паливо. Проте для першого етапу звичайних теплових розрахунків котельних агрегатів і промислових печей – газових розрахунків – досить знати початковий і кінцевий стани системи пальне – окислювач, не розглядаючи процес горіння, проміжних стадій і його кінетики.
Формули, що застосовуються в газових розрахунках, виводять із стехіометричних рівностей, які дають співвідношення реагуючих речовин у молях, вагових і об’ємних одиницях. Нижче наводяться стехіометричні співвідношення для основих горючих елементів твердого, рідкого і газового палива:
С+О2 =СO/>
1μ1μ1 μ
12 кг32 кг 44 кг
1 м3 ~ 1 м3
2С + О/>= 2СО
2μ1μ 2μ
24 кг 32 кг 56 кг
1 м3 2м3
2СО + O/> = 2СO/>
2μ1μ 2μ
2м3 1 м3 ~ 2 м3
СН/> + 2О/> == СО/> +2Н/>О
1μ2μ 1μ2μ
1 м3 2 м3~ 1 м3 2м3
Взагалі для вуглеводнів:
C/>H/>(m+/>) О/>=mCO/>+/>H/>O
{m+/>} μmμ/>μ
{m+/>} м/>~mм/>/>м/>
2.2 Витрата повітря
Мінімальна кількість повітря, потрібна для повного згоряння палива, називається теоретичною кількістю повітря. Вона може бути виражена в м3 на 1 кг палива (V0) або в кг/кг (L0).
Користуючись стехіометричними співвідйошеннями, легко визначити вагову теоретичну кількість кисню в кілограмах на 1 кг палива:
L/>=/>/>+/>+7,94/>–/>    продолжение
–PAGE_BREAK–
Потім, беручи до уваги вагову частку кисню в повітрі, що дорівнює 0,231, з рівності L/>=/>знаходимо L0:
L/>=0,115 (C/>+0,37S/>)+0,342H/>–0,043O/>(1–14)
ПоділившиL0на густину сухого повітря 1,293 кг/м3, дістанемо:
V0= 0,089 (С/> + 0,37 S/>) + 0,265 Нр – 0,033 O/>(15)
Щоб забезпечити в реальних топках максимальне згоряння палива, до них треба підвести більшу кількість повітря, ніж V0. Відношення дійсної кількості повітря V до V0називається
коефіцієнтом зайвини повітря в топці α/>:
α/>=/>
Значення α/> залежать від виду палива і конструкції топки і коливаються від 1,03 для газового палива, до 1,5 для твердого палива, що спалюється на колосниковій решітці
2.3Об’єм продуктів згоряння
У топкових обладнаннях сучасних котлоагрегатів середньої і великої потужності досягається практично повне згоряння палива. Тому при розрахунках вважають, що воно згоряє повністю. У цьому випадку продукти згоряння складаються з вуглекислого газу СО2, сірчастого ангідриду SO2, невикористаного у процесі горіння азоту N/>, зайвинного кисню О/> і водяної пари Н/>О. Сума Vco/> + Vso/> + Vo/> + V/> =Vc.г. становить об’єм сухих газів. Повний об’єм газів Vг.= Vc.г. + Vн/>о =. Vco/> + Vso/> + Vo/> + V/>+ Vн/>о.
Щоб дістати зручні для проектування формули, доцільно ввести поняття теоретичного об’єму продуктів згоряння V/>, тобто об’єму димових газів, який був би при повному згорянні палива теоретичній кількості повітря. У цьому разі V/>= Vco/> + Vso/> + Vн/>о + V/>/> (невикористаного кисню в димових газах нема, а відзначати особливим індексом Vco/> і Vso/>, непотрібно, бо Vco/> і Vso/>, не залежать від коефіцієнта зайвини повітря).
Об’єм триатомних газів V/> =Vco/> + Vso/>, прийнято позначатиVRo/>.
Із стехіометричного співвідношення (I-10) видно, що при спалюванні 1 моля (12 кг) вуглецю утворюється 1 моль вуглекислого газу. Густина СО/> дорівнює 1,977 кг/м3, об’єм моля СО/> (при 0 °С і 760 мм рт. ст.) – 22,26 м3. Тому
V/>=/>·/>=1,86 />м/>на 1 кг палива(16)
Аналогічно, якщо густина SO2 дорівнює 2,927 кг/м3, а об’єм моля SO/> становить 21,89 м3
V/>=0,68/>м/> на 1 кг палива (17)
Отже
V/>=1,86/> кг/м3(18)
або, якщо позначити через К/>суму С/>+ 0,37 S/>,
V/>=1,86/> кг/м3 (19)
Теоретичний об’єм азоту V/>, складається з об’єму азоту, що надійшов з теоретичною кількістю повітря і становить 0,79 V° (об’ємна частка азоту разом з аргоном та іншими інертними газами в повітрі становить 0,79), і об’єму азоту, що виділився з палива, 0,8/>, де 0,8-питомий об’єм азоту в мз/кг:
V/>=0,79 V°+ 0,8/>м/>/кг (20)
Теоретичний об’єм сухих газів
V/>= V/>+V/>=1,86/>+0,79 V°+0,8/>м/>/кг (21)    продолжение
–PAGE_BREAK–
Водяна пара утворюється при спалюванні палива внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива. Крім того, в продукти горіння переходить водяна пара, внесена у топку повітрям, яке підводиться до неї.
Теоретична вагова кількість водяної пари в продуктах згоряння становить:
G/>=/>+0,013 V°кг/кг
Тут />·/>(із стехіометричного співвідношення) – кількість води, що утворилася внаслідок горіння водню палива;
W/100 – випарена волога палива, що перейшла в продукти згоряння;
0,013 V0 – водяна пара, внесена з повітрям (середнє значення вологовмісту повітряd, беруть 10 г. на 1 кг сухого повітря, що становить 0,013 кг на 1 м3 сухого повітря). Теоретичний об’єм водяної пари
V/>/>=/>
Водяна пара в продуктах згоряння сильно перегріта, бо її парціальний тиск малий, а температура висока. Припустивши, що водяна пара підлягає законові Авогадро, значення густини виводять, поділяючи молекулярну вагу Н2О на об’єм моля за нормальних умов:
/>=/>=0б804 кг/м3
Такий розрахунковий спосіб цілком припустимий, хоча водяна пара при 0°С і 760 мм рт. ст. існувати не може, отже,
V/>/>=/>=0,111H/>+0,0124W/>+0,0161V/> м/>/кг (22)
Об’єм сухих газів при α > 1 дорівнює:
Vcµ.г. =Vc.г. +(α -1)V° м3 /кг (23)
де (α–1)V°–кількість зайвинного повітря. Відповідно
Vн2о = V° н2о + 0, 0161 (α -1) V° м3 /кг (24)
Сумарний об’єм газів
Vг = VRO2 +V°N2 + Vн2о + (α – 1) V0 м3 /кг (25)
Об’ємні частки триатомних газів і водяної пари відповідно дорівнюють:
r/>=/>іr/>=/>,
а парціальний тиск їх
p/>=/>pі p/>=/>p
де р – загальний тиск продуктів згоряння. Концентрація леткої золи в димових газах
p/>г/м/>(26)
де авин – частка золи палива, що виноситься димовими газами. Вага димових газів
G/>=1─/>+1,306αV/>кг/кг (27)
При паровому дутті або паровому розпилюванні рідкого палива (у невеликих установках), визначаючи об’єм і вагу димових газів, треба ураховувати кількість пари (W/>/>).
Об’єми повітря і продуктів згоряння при спалюванні газоподібного палива визначають аналогічно, на підставі стехіометричних співвідношень:
V/>=0, o476 [0,5CO+0,5H/>+Σ(m+/>) C/>H/>+1,5H/>S−O/>] м/>/м/>(28)
V/>=0,01 [CO/>+CO+ΣmC/>H/>+H/>S] м/>/м/>; (29)    продолжение
–PAGE_BREAK–
V/>=0,79V/>+0,01N/>; (30)
V/>/>=0,01 [H/>+Σ/>C/>H/>+H/>S+0,124d/>]+0,0161V/>м/>/м/>. (31)
Тут СО, Н/>, N/> і т.д. – компоненти газового палива в об’ємних процентах; d/>–вологовміст газового палива в грамах на 1 м3 сухого газу.
Об’єми продуктів згоряння при α> 1 визначаються за раніше наведеними формулами.
2.4Розрахунки, які провадять за даними аналізу продуктів згоряння
Аналіз палива і продуктів його згоряння провадять під час випробування котельних агрегатів.
Застосовують переносний хімічний газоаналізатор, за допомогою якого поглинанням відповідними реактивами (водним розчином їдкого калію і розчином їдкого калію в пірогаловій кислоті) визначають об’ємний процентний вміст RО/> і О/> у сухих газах. Цими даними користуються для визначення Vс.г., характеристики палива, визначення СО і α.
Визначення Vс.г – Склад сухих продуктів повного згоряння палива визначають за формулою
Vс.г = V />+ V />+V/>, (32)
або в процентах за об’ємом:
RO
/>+ О
/>+ N
/>=100% (33)
де RО
/>=
/>100– об’ємний процент RО
/>у сухих димових газах.
Звідси V/>=/>100.
Підставивши значення, V />з(19), матимемо:
V
/>=1,86
/>м3 /кг(34)
Якщо в продуктах згоряння є СО, легко визначити
V
/>=1,86
/>(35)
Характеристика палива. Визначення СО. Якщо з лівої частини рівності (33) виключити N/>, користуючись відомим об’ємним співвідношенням />у повітрі, яке дорівнює />можна за допомогою перетворень прийти до такого співвідношення:
21 – β RО/> – (RО/>+ О/>) = О,(36)
де
β=2,37
/>+0,0605 (37)
B характеризує склад горючої маси палива і не залежить від зольності А/>вологості W/> і коефіцієнта зайвини повітря α. Тому B називають характеристикою горючої маси палива (скорочено – характеристикою палива).
Рівність (36) відбиває зв’язок між компонентами димових газів RО/> і О/> при повному згорянні палива і характеристикою палива.
У загальному випадку при великій неповноті згоряння в димових газах, крім RО/>, О/> і N/>, будуть неповні окисли (СО) і горючі гази у вільному вигляді (Н/>, СН/>, СmНn). Проте при задовільній роботі топок помітних кількостей Н/>, СН/> і т.д. в димових газах не буває. Тому досить розглянути більш реальний випадок – наявність у продуктах згоряння окису вуглецю. Тоді склад сухих газів запишемотак:    продолжение
–PAGE_BREAK–
RO/>+СО+O/>+N/>=100%.(38)
Якщо тепер, аналогічно до попереднього, з (38) виключити N/>, то можна дістати таке співвідношення:
21 – β RO/> – (RO/> + O/>) = (0,605 + β) СО. (39)
З (39) дістанемо
CO=/> (40)
Таким чином, операцію аналізу газів можна спростити (визначати тільки RO/> і RO/> +O/>). Це зручно тим, що реактив для поглинання СО насичується значно швидше, ніж реактив для поглинання RO/> і O/>. Проте розрахункове визначення СО3 (40) може дати надійні значення СО тільки в разі незначної неповноти згоряння (якщо кількість СО становить десяті частки процента).
При значній неповноті згоряння треба робити повний хімічний аналіз димових газів.
Визначенняα. Знаючи склад продуктів згоряння, можна визначити коефіцієнт зайвини повітря αу будь-якому місці газового тракту. Формули для αвиводять з раніше наведених співвідношень.
При повному згорянні
α = />, (41)
де O/> і N/>–об’ємний процентний вміст кисню і азоту в сухих газах (N/>=100 – RO/> – O/>).
При наявності СО
α= />(42)
2.5Визначення ентальпії продуктів згоряння
Результати газових розрахунків використовуються для обчислення ентальпії і (тепловмісту) продуктів згоряння палива. Ентальпію визначають за формулами загального вигляду
i=V/>/>або і =/>ΣV/>.
Виражається вона в кДж на 1 кг твердого і рідкого палива або |в кДж на 1 м3 газоподібного палива.
Ентальпію газів при α= 1 і температурі />/> С у котельних розрахунках визначають за формулою:
i/>=V/>(/>)/>+V/>(/>) />+V/>(/>) />(43)
Ентальпія повітря при α= 1
i/>= i/>+(α-1) i/>кДж/кг або кДж/м/>(44)
При α > 1 ентальпія продуктів згоряння
іг = і°г + (α – 1) і°п кДж/кг або кДж/м3. (І-45)
Величину i/> визначають для різних значень /> і α, потім одержані значення зводять у таблицю i/>. Крім того, доцільно на підставі цих обчислень побудувати криві залежності і від /> для кількох значень α. Такий графік називається і/> – діаграмою.
3. Тепловий баланс котельного агрегату
3.1 Рівняння теплового балансу
Кількість теплоти, що вноситься в агрегат, дорівнює сумі використаної теплоти і теплових втрат. Складання теплового: балансу котельного агрегату полягає в установленні цієї рівності. Тепловий баланс складається на 1 кг твердого або рідкого палива і на 1 м3 газового палива для усталеного режиму роботи; агрегату, тобто для такого теплового стану, коли температурав будь-якій точці агрегату не є функцією часу. Це відповідає тривалій роботі агрегату при постійному навантаженні і постійних режимних умовах (тиску, зайвини, повітря, якості палива і т. п.).
Рівняння теплового балансу котельного агрегату має тепер такий вигляд:
Q/>=Q/> + Q/> +Q/>+ Q4/> +Q/>+ Q/>кДж/кг або кДж /м3. (46)
У лівій частині рівняння Q/>–так звана наявна, або розраховувана, теплота, що визначається за формулою:
Q/> =Q/>+ Q/> +Q/>+ Q/> – Q/>кДж/кг або кДж/м3, (47)    продолжение
–PAGE_BREAK–
де Q/> – нижча теплота згоряння робочого палива; Q/> – фізична теплота палива; Q/>–теплота, внесена повітрям, підігрітим зовні котельного агрегату; Q/> – теплота, внесена (через форсунки) парою, яка застосовується для розпилювання рідкого палива, або паровим дуттям; Q/> – теплота, що витрачається на розкладання карбонатів.
У котельних установках, як правило, не підігрівають повітря зовні котельного агрегату. У великих агрегатах не застосовують парового розпилювання мазуту і парового дуття. Теплоту розкладу карбонатів треба враховувати тільки при спалюванні сланців.
Основною складовою наявної теплоти завжди е теплота згоряння палива Q/>. У деяких випадках (при розімкнутій схемі сушіння палива, при паровому підігріванні мазуту) треба враховувати і фізичну теплоту палива Q/> визначається за формулою:
Q/> = />кДж/кг абокДж/м3, (48)
де />–питома (відповідно масова чи об’ємна при постійному тиску) теплоємність палива; tпл–його температура, °С.
Якщо взяти Qp за 100%, то тепловий баланс можна визначити в процентах:
100 = q/>+ q/>+ q/>+ q/>+ q/>+ q/>%, (49)
де q/>=/>100%.
У 100%-ну наявну теплоту (раніше за 100% вважали лише потенціальну «платну» теплоту палива Q/>) не входить фізична теплота холодного повітря, що надходить в агрегат. Це холодне повітря перенесено із знаком мінус у праву частину рівняння (46) і враховано у величині Q/>.
Права частина рівняння теплового балансу є сумою використаної в агрегаті (в економайзері, котлі і перегрівнику) теплоти Q/> і теплових витрат: Q/> – з відхідними газами; Q/>–від хімічної неповноти згоряння; Q/>–від механічної неповноти згоряння; Q/>–у навколишнє середовище (від зовнішнього охолодження) і Q/> – фізичною теплотою шлаків і на охолодження панелей і балок, не включених у циркуляцію котла.
Таким чином, тепловий баланс характеризує загальну економічність роботи котельного агрегату і теплові втрати.
3.2 Теплота, що використовується в котельному агрегаті
Корисною називається теплота, що використовується для підігрівання води, яка надходить в агрегат, до температури кипіння, з метою перетворення її в насичену пару і для перегрівання пари. У загальному випадку годинна кількість використаної теплоти визначається за формулою:
Q
/>=D
/>(і
/>–і
/>)+D
/>(і
/>–і
/>)+D
/>–і
/>)+D
/>(і
/>–і
/>) кДж/кг, (50)
де D/>, D/>, D/>, D/>–відповідно кількість виробленої перегрітої пари; відданої, крім перегрівника, насиченої пари; видаленої з котла продувної води; перегрітої у вторинному перегрівнику пари, кг/год;і/>,і/>, і/>, і/>,і/>, і/> – ентальпія перегрітої пари, насиченої пари, води при температурі кипіння в котлі, живильної води перед водяним економайзером, пари вторинного перегріву на виході і вході в перегрівник. Щоб добути Q/>, треба поділити кількість теплоти Q/> на годинну витрату палива В:
Q/> =/>кДж/кг (51)
Відношення використаної в агрегаті теплоти до наявної називаєтьсякоефіцієнтом корисної дії котельного агрегату (брутто):
η/>=/>=/>, (52)
к. к. д. у процентах:
q/>=η/>·100%=/>·100% (53)
Економічність великих енергетичних котлоагрегатів дуже висока. Їх к. к. д. становить η ка =0,88–0,94. К. к. д. дрібних котлів значно нижчий і може бути в межах до 0,6–0,7. К. к. д. котлоагрегату змінюється із зміною навантаження; звичайно максимум к. к. д. відповідає 75–85% номінальної видатності котлоагрегату. Під час випробування котельного агрегату шуканою величиною є коефіцієнт корисної дії. Його можна дістати прямим вимірюванням витрат палива, води, пари, тиску й температури води й пари і визначенням Q/>. У цьому разі η/> визначається за формулою (52). Можна й інакше знайти – η/>, визначивши його як різницю між одиницею і сумою виражених у частках одиниці теплових втрат, знайдених відповідними вимірюваннями (складу й температури відхідних з агрегату газів, аналізів шлаку й золи та ін.). При проектуванні котлоагрегату к. к. д. агрегату або задається, або обчислюється за даною температурою відхідних газів νвід і прийнятим на підставі рекомендацій, які подаються в нормах теплового розрахунку котлоагрегатів, значенням теплових втрат і коефіцієнту зайвини повітря у відхідних газах α/> за формулою:    продолжение
–PAGE_BREAK–
η/>=1-/>(54)
Потім визначають годинну витрату палива:
В=/> (55)
Обчислюючи к. к. д., не враховують витрат енергії на власні потреби котлоагрегату (живильні, тягодуттьові, пилоприготувальні, обдування поверхонь нагріву тощо).
К. к. д. котельного агрегату, визначений з урахуванням витрати теплоти і електроенергії на власні потреби, називається к.к.д. нетто:
η />=η />— Δη />, (56)
де Δη /> – сумарна витрата енергії на власні потреби, віднесена до наявної теплоти і виражена в частках одиниці. Поняттям ηн.т користуються значно рідше, ніж η />.
3.3Втрати теплоти
Втрати теплоти з відхідними газами найбільші з усіх теплових втрат в котлоагрегаті. Величина q/> становить у великих агрегатах 4–8%, а в дрібних котлах 10–20%. Ця втрата відбувається тому, що продукти згоряння палива залишають агрегат привисокій температурі (у великих агрегатах 115–150° С, а в дрібних – при ще вищій).
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
/>-α
/>і
/>(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 дляQ/> 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.    продолжение
–PAGE_BREAK–
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/>=V/>/>м/>/кг;
/>кДж/ м/>;
/>кДж/ м/>;(64)
При механічно неповному згорянні у формулу для Q/> вводять поправкуq/> 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%. Величинаq
/>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.    продолжение
–PAGE_BREAK–
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 топокцього 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 декількаланцюгів, 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 відноснихпереміщень.
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 Адо 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%.    продолжение
–PAGE_BREAK–
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.
У котельних установках, обладнаних пиловугільними топками, передбачається певна система пилоприготування.
Найбільш поширена тепер індивідуальна система пилоприготування, в якій кожний котельний агрегат обслуговується окремим пилоприготувальним обладнанням. На мал. 4–8 показана принципова схема пилоприготування з проміжним пиловим бункером.
З бункера 1 через ваги 2 попередньо подрібнене паливо надходить у витратний бункер 3, з якого воно живильником 4 подасться у млин 5, куди надходить також гаряче повітря з короба 13. У млині паливо одночасно сушать і розмелюють. Пил з повітрям з млина виноситься до сепаратора 6, де відділяються крупні частинки пилу, які повертаються до млина. Пил потрібної тонкості надходить із сепаратора в циклон 7, де основна його частина відділяється від повітря. З циклона пил надходить у пиловий бункер 8, звідки він видається живильником 9 і подається разом з повітрям, яке нагнітається вентилятором 10, у пальник 11. До пальника підводиться також вторинне повітря з короба гарячого повітря. З пальника 11 аеропил (суміш пилу і первинного повітря) і вторинне повітря надходять у камерну топку 12.
В описаній схемі пилоприготування передбачається установка кульового барабанного млина. У покритий бронею барабан млина завантажуються стальні кулі, які при повільному обертанні барабана перекочуються і розмелюють паливо.
Застосовуються також індивідуальні схеми пилоприготування без проміжного пилового бункера, а для легко розмелюваних палив з високим Vг – спрощені схеми пилоприготування (без сепараторів і циклонів) з швидкохідними млинами. Паливо в них розмелюється під дією бил, підвішених за допомогою билотримачів до вала. Для спалювання високовологих палив у великих установках застосовують розімкнену схему підсушування палива з викиданням спрацьованого сушильного агента і водяної пари в атмосферу.
На теплових електростанціях великої потужності доцільно застосовувати центральну систему пилоприготування – спорудження пилозаводів, де всі операції по підготовці палива – грохотіння, дробіння, сушіння і розмелювання – здійснюються централізовано.
Топки для пиловидного палива. Час перебування частинок твердого палива в камерних (факельних) топках дуже обмежений (1–2 сек.). Щоб повністю спалити їх у такий короткий проміжок часу, треба здрібнювати паливо до пиловидного стану. Внаслідок розмелювання досягається також багаторазове збільшення вільної поверхні палива (поверхні реагування), вираженої в м2/кг, що сприяє організації і перебігу процесів горіння.
В установках для спалювання твердого палива в пиловидному стані застосовують різні типи пальників і різноманітні форми топкової камери.
Пилові пальники можна поділити на два основні типи: круглі і щілинні. Типовим представником групи круглих пальників, широко вживаних у наших енергетичних котельних установках, є двозавитковий пальник ТКЗ–ЦКТІ, схема якого подана на мал. 4–9. Суміш пилу й первинного повітря підводиться тангенціальне у завиток 7, закручений потік аеропилу рухається в кільцевому просторі 2 і виходить у топку. Потік вторинного повітря, підведеного у другий завиток 3, закручується в ньому у тому самому напрямку і виходить у топку, вбираючи потік аеропилу.
У круглому пальнику ОРГРЕС закручується потік тільки вторинного повітря, а аеросуміш рухається по осі центральної труби і погім роздається в боки, зустрічаючи на своєму шляху розсікач, установлений у кінці труб
В обох пальниках потік виходить у топку у вигляді порожнистого конуса. Цей потік і газ, що заповнюють топку, перемішуються, гарячі топкові гази підсмоктуються до кореня факела, що забезпечує інтенсивне прогрівання пилу і його займання.
Круглі пальники розміщаються або на фронтальній стінці топки в один або два ряди, або на двох протилежних бічних стінках топки. Їх застосовують при сухому шлаковидалянні для будь-якого палива. Недоліком великих круглих пальників (для спалювання в одному пальнику 5–10 m палива на годину) є трудність у побудові великих амбразур внаслідок складної розводки екранних труб довкола пальників.
У щілинних пальниках аеропил і вторинне повітря подаються по вузьких витягнених щілинах. Розводка екранних труб при цьому спрощується.
Пальники можна розміщати на фронтальній і бічних стінах топки, але найчастіше їх розміщають по кутках топки. Осі кутових пальників звичайно спрямовані дотично до уявлюваного кола в центрі топки.
Дуже важливим енергетичним паливом є антрацит. Стійкий і економічний процес спалювання в камерних топках антрациту відбувається, головним чином, внаслідок високої температури його займання – порядку 900° С.
Для інтенсивної теплової підготовки і займання антрацитового пилу для спалювання АШ застосовують топку з утепленою воронкою, екрани якої закриті вогнетривкою масою, і пальник нижнього ряду розміщають поблизу воронки.
У таких топках утворюється рідкий шлак з 20% золи палива (залежно від ступеня навантаження котла). Їх можна вважати проміжними між топками з сухим і рідким шлаковидалянням.
Однокамерні топки з сухим шлаковидалянням характеризуються несприятливою структурою золового балансу. З топки з продуктами горіння виноситься у вигляді леткої золи в середньому 85% золи палива. Це призводить до золового зносу і заносу поверхонь нагрівання, обмежує швидкість газів у конвективних елементах, що зумовлює зниження коефіцієнта теплопередачі в них, викликає потребу у громіздкому золовловлювальному обладнанні.
Зольний баланс топок з рідким шлаковидалянням кращий. У них, залежно від конструкції топки і властивостей палива і його золи, вдається дістати 30-60% шлаку в рідкому стані. Для цього в топці створюють зону високих температур, закриваючи екрани в нижній частині топки торкретом і зменшуючи цим їх теплосприймання. Рідкий шлак стікає із стін і випадає з газового потоку на горизонтальний або трохи нахилений під топки і видаляється через центральну льотку.
Топки з рідким шлаковидалянням можуть бути однокамерні двокамерні. Двокамерні топки стійкіші від однокамерних щодо одержання і видаляння шлаку в рідкому вигляді при різному навантаженні котельного агрегату і забезпечують більший у процентному відношенні вихід рідкого шлаку.
У двокамерних топках часто виділяють зону горіння і плавлення шлаку і зону охолодження продуктів згоряння. У топці виразно виділена камера горіння. В кінці її установлено пучок труб – решітка для додаткового шлаковидаляння. Екрани камери горіння і решітка зроблені з обшипованих труб, покритих теркретом.
У топці з перетиском нижня частина – камера горіння, верхня – камера охолодження. У багатьох потужних котлоагрегатів установлюють топки цього типу.
Топки із спрощеним пилоприготуванням. Для спалювання палива з великим виходом летких речовин доцільно застосовувати топки із спрощеним пилоприготуванням. Вони значно компактніші і дешевші від звичайних систем пилоприготування і споживають меншу кількість електроенергії на розмелювання палива і пневматичне транспортування пилу. З топок цього типу у нас дуже поширені топки з шахтними млинами (шахтно-млинові).
Щоб у топку виносився лише достатньо дрібний пил, швидкість газів у шахті має бути невеликою (2–3 м/сек). Швидкість газів в амбразурі 4–6 м/сек.
Топки з шахтними млинами застосовуються для спалювання різних видів твердого палива: фрезерного торфу, бурого вугілля, сланців і кам’яного вугілля з Vг>30%. Так само широкий діапазон їх застосування щодо видатності котлоагрегатів – від кількох тонн до кількох сотень тонн пари на годину.
Млини установлюють як з фронтальної сторони, так і з бічної сторони і по кутках топки. В енергетичних агрегатах середньої і великої потужності для поліпшення аеродинаміки топок і підвищення їх к.к.д. застосовують ежекційні амбразури.
Для спалювання в промислових котельних установках дуже низькоякісного (високовологого і зольного) палива доцільно застосовувати топку, яка є поєднанням шахтно-млинової топки з постійно діючим камерним муфелем, установленим між шахтою і фронтовою стінкою топки. Принцип дії муфеля полягає у відгалуженні за допомогою регулювальної заслінки частини потоку аеропилу для направлення його в муфель, гальмуванні цієї частини потоку в муфелі і спалюванні (а також газифікації) в завислому стані частини пилу в топковому просторі муфеля, захищеному склепінням від охолодної дії потоку вологого пилу. Повітря підводиться знизу через повітророзподільну решітку.
Продукти горіння і газифікації надходять потім через газове вікно в нижню частину топкової амбразури і забезпечують інтенсивну теплову підготовку основного потоку, його прискорене запалювання і стійке горіння факела в топковій камері.
Досвід промислової експлуатації показав, що це топкове обладнання надійне й ефективне і придатне для спалювання в ньому такого низькосортного палива, як землисте буре вугілля з дуже низькою теплотою згоряння /> = 5650 ¸ 5860 кДж/кг.
Топки для рідкого і газоподібного палива.Як уже відзначалося раніше, з рідких палив у котельних установках використовується тільки мазут. Мазут і повітря надходять у топку через пальники, що складаються з форсунок і повітряних регістрів. Для ефективного спалювання рідкого палива його тонко розпилюють і добре перемішують з повітрям. Форсунки для розпилу мазуту розміщають у центрі пальників. Повітряні регістри призначені для подачі в амбразуру пальника закрученого потоку повітря і змішування його з дрібнорозпиленим мазутом.    продолжение
–PAGE_BREAK–
За принципом дії форсунки поділяють на механічні й парові (повітряні), за конструктивним оформленням – на круглі і плоскі (щілинні). У механічних форсунках мазут подається до форсунок під тиском 10–30 бар, струмина мазуту набуває обертального руху, з великою швидкістю надходить у топку і розпадається за рахунок кінетичної енергії потоку пари (повітря).
У круглих парових форсунках пара і мазут рухаються в співвісно розміщених круглому і кільцевому каналах. На мал. 4–15 показано круглу парову форсунку, в якій пара підводиться через розміщену в центрі трубу і розширене сопло, а мазутрухається по кільцевому каналу, що охоплює центральну трубу. Пара й мазут змішуються в камері за соплом.
У форсунках Шухова пара надходить по зовнішній кільцевій щілині, а мазут–по внутрішній трубі. В щілинних форсунках пара витікає з нижньої щілини, а мазут–з верхньої.
З підвищенням тиску пари зростає видатність форсунок і поліпшується якість розпилювання. Парові форсунки прості за конструкцією, але неекономічні, бо потребують багато пари: 0,3–0,5 кг на 1 кг мазуту. До їх недоліків, крім того, відносяться:
а) збільшення втрат тепла з відпрацьованими газами внаслідок збільшення об’єму продуктів згоряння; б) безповоротна втрата пари (і, відповідно, конденсату); в) шум, під час їх роботи.
Тому в установках великої і середньої потужності застосовують форсунки з механічним розпилюванням мазуту. Мазут під тиском надходить у трубу форсунки, а з неї – в розпилювальну головку, де розміщені розподільна, завихрювальна і вихідна шайби.
Топкові мазути звичайно мають високу в’язкість і в тій чи іншій мірі забруднені механічними домішками. Щоб мазут став текучим і його можна було транспортувати по трубопроводах, а також для кращого розпилювання в форсунках, його перед надходженням до форсунок підігрівають. При застосуванні механічних форсунок мазут треба також старанно фільтрувати, щоб не забруднювалися канали шайб, які мають малі прохідні перерізи.
Топкові камери для спалювання мазуту за своєю формою і конструкцією взагалі аналогічні з камерами для пиловидного палива, за винятком нижньої частини, яка має вигляд не шлакової воронки, а плоского поду. Пальники розміщають звичайно на фронтальній або бічних стінках топки. При спалюванні високосірчастих мазутів, а також мазутів з великим вмістом ванадію і натрію виникає серйозне ускладнення в експлуатації.
Щоб зменшити сірчасту корозію і запобігти відкладенню золи з великим вмістом натрію, в топку або газоходи вводять домішку доломіту у вигляді дрібного порошку.
В енергетичних установках використовують природний газ, доменний газ і газ підземної газифікації. Спалюванню газу передують стадії сумішоутворення і підігрівання. Залежно від того, де змішують газ з повітрям, газові пальники поділяються на три типи: з попереднім змішуванням, дифузійні і проміжного типу. У пальниках з попереднім змішуванням газ і повітря змішуються перед пальником, і в пальник подається горюча суміш з невеликим коефіцієнтом зайвини повітря. У дифузійних пальниках газ і повітря подаються в топку роздільно, змішуються в топці способом турбулентної дифузії. В пальниках проміжного типу газ і повітря в значній мірі змішуються в самому пальнику і додатково перемішуються внаслідок дифузії в топковому просторі. Чим повніше перемішування в самому пальнику, тим кращі показники його роботи. При наявності газу високого тиску в невеликих установках можуть застосовуватись інжекційні пальники, в яких повітря інжектується струминою газу. Звичайно ж застосовують двопровідну систему з вентиляторним повітряним дуттям.
До пальників з попереднім змішуванням належать пальники з форкамерами, тунельні пальники, пальники з каналами й насадками з пористої вогнетривкої маси. Такі пальники бувають безфакельними (безполум’яними, коротко полум’яними), бо переважна частина газу згоряє в форкамерах, тунелях або насадках, від чого на виході з пальника утворюється дуже короткий і малосвітний факел або (в пальниках з насадками) з пальника виходять прозорі продукти згоряння.
Застосування пальників з попереднім змішуванням дає можливість зменшити об’єм топкової камери, що важливо для невеликих установок.
У великих установках об’єм топки визначається, як правило, умовами охолодження. В той самий час пальники цього типу мають значні габарити, вони більш громіздкі, ніж пальники інших типів. Це стосується також і пальників, побудованих на застосуванні мікрофакельного горіння природного газу, в яких горюча суміш пропускається з малою швидкістю крізь численні отвори малого діаметра. Пальники з попереднім змішуванням застосовуються при спалюванні низькокалорійних газів у невеликих установках. У топках енергетичних котлоагрегатів середньої і великої потужності застосовують або пальники проміжного типу, або дифузійні пальники. Загальний принцип їх роботи полягає в поділові газу на невеликі струмини і наступному змішуванні його з повітрям частково в пальнику, частково в топковій камері.
Струмини газу пронизують закручений повітряний потік, і газоповітряна суміш крізь амбразуру надходить у топку.
Топкові камери для спалювання газу і розміщення газових пальників аналогічні топкам при спалюванні рідкого палива. Суто мазутні і суто газові топки у великих установках трапляються рідше, ніж комбіновані топки для спалювання мазуту і вугільного пилу або газомазутні топки. У таких установках застосовують пальники, що дають можливість спалювати той чи інший вид палива.
4.3 Вихрові (циклонні) топки
Прямотоковий факельний метод спалювання не позбавлений і недоліків, зумовлених насамперед незадовільною аеродинамікою топкових камер (зокрема дуже малими швидкостями обмивання пилинок газовим потоком, особливо в заключній стадії горіння), а саме: громіздкість топкових камер через погане використання об’єму і необхідність глибоко охолоджувати гази в топці для попередження шлакування; висока концентрація золового пилу в потоці продуктів згоряння; золовий знос і занос конвективних елементів або знижені швидкості газів у них для попередження золового зносу; громіздке пилоприготувальне і золовловлююче обладнання. Ці недоліки в найбільшій мірі виявляються при спалюванні твердого палива.
Застосування вихрового (циклонного) принципу спалювання стало новим етапом у розвитку топкової техніки. Вихрові топки, як і факельні, можуть працювати з сухим і рідким шлаковидалянням. Найкращим типом вихрових топок для великих енергетичних котлоагрегатів є циклонні топки з рідким шлаковидалянням.
Першою топкою вихрового типу була пневматична (циркуляційно-вихрова) топка О.О. Шершньова для спалювання фрезерного торфу. Роботи по створенню цієї конструкції були початі наприкінці 20-х років нашого століття. Нижня частина топкової камери 7 має вигляд ежекторної воронки з двома вертикальними і двома похилими стінками-Основна кількість повітря (близько 85%) надходить в ежекторну воронку крізь горизонтальні сопла і створює в топці вихор з горизонтальною віссю обертання.
Дроблений торф подається в топку живильником 2 тонким опаром по всій ширині топки, разом з торфом крізь щілинний пальник подається близько 15% повітря. Найдрібніші частки проходять стадію теплової підготовки, займаються і горять на льоту, крупніші частки, що падають униз, підхоплюються зустрічним газоповітряним потоком, піднімаються вгору і втягуються у вихровий рух. Повітряна струмина, що надходить із сопел, ежектує гарячі гази з топкового простору. В циркуляційному вихорі сушаться, здрібнюються, займаються і горять частки торфу.
Пневматична топка О.О. Шершньова надійна, гнучка і економічна. Крім фрезерного торфу, в ній можна також спалювати тирсу і лузгу.
Циклонні топки складаються з циклонних камер (передтопок) і камер охолодження, в нижній частині яких завершується процес горіння.
Найпоширеніші топки з горизонтальною або мало похиленою до горизонту циклонною камерою.
До цього типу топок належить циклонна топка Барнаульського котельного заводу – ЦКТІ (інж. О.Н. Ковригіна). Топка складається з трьох камер: циклонної, допалювальної і камери охолодження.
Краплі рідкого шлаку, що виносяться газовим потоком, який виходить з горловини циклонної камери, натрапляють на своєму шляху на вертикальну стінку з торкрету, нанесеного на екранні труби, осаджуються на ній і стікають униз. У другій камері гази тричі змінюють напрям руху на 90°. Між другою і третьою камерою розміщений шлаковловлювальний пучок екранних труб. Це забезпечує високий ступінь уловлювання шлаку в рідкому стані і високу повноту горіння пилу грубого помелу і навіть дробленки.
Топки з горизонтальними циклонами характеризуються коефіцієнтом шлаковловлювання ή/>=90÷95%, тепловим навантаженням циклонної камери />= (16,7÷25) • 103кДж/м3• год, відношенням довжини циклона до його діаметра />/>/>=1,0÷1,3, швидкістю повітря ω/>= 120÷180 м/сек, що підводиться.
Застосовують також топки з вертикальними циклонами, розміщеними над камерою охолодження. Основні показники їх такі: />=1; />=(4,18÷5)·10/>кДж/м/>·год; ή/>=75÷80%; ω/>=20÷30 м/сек.
Циклонні топки з рідким шлаковидалянням можна застосовувати для багатьох видів палива. Їх застосування обмежується через: а) несприятливі характеристики золи твердого палива (тугоплавкість, висока зольність), що утруднюють надійність добування і видалення шлаку в рідкому стані, особливо при неповному навантаженні агрегату, і б) високу зведену зольність палива Аз 4%, що спричинює значну витрату теплоти з фізичною теплотою шлаку.
Застосування циклонного принципу спалювання дає можливість створити високовидатне й ефективне топкове обладнання для спалювання твердого палива у потужних установках, досягти високої інтенсифікації топкового процесу і максимального ступеня уловлювання в топці шлаку в рідкому стані. Останнім часом намітилась тенденція застосовувати циклонні передтопки також для спалювання рідкого палива.
Топки циклонного типу набули в нас поки що обмеженого застосування, але вони дуже перспективні.
Висновки
В даній курсовій роботі я намагався показати важливе значення енергетики у народному господарстві, особливо в теперішній час, коли енергетика супроводжується прогресуючим виснаженням звичайних енергетичних ресурсів (нафти, газу, вугілля тощо) і з усе більш помітною, іноді вже необоротною, зміною («забрудненням») навколишнього середовища, що супроводжує роботу енергоустановок. В роботі подана характеристика різних типів палива, їх склад та використання, переваги та недоліки, показане важливе значення використання генераторів у енергетиці.
Література
Алексеев Г.Н. Преобразование энергии. – М., Высш. шк., 1996.
Алексеев Г.Н. Основы теории энергетических установок. – М., Высш. шк., 1988.
Алексеев Г.Н. Прогнозное ориентирование развития энергоустановок. – М., Просвещение, 1994.
Алексеев Г.Н. Энергия и энтропия. – М., Высш. шк., 1978.
Капица П.Л. Энергия и физика. – Вестн. АН СССР, 1976, №1.
Мелентьев Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. – М., Энергоатомиздат, 1986.