Классификация топок и общие характеристики процессов

Сжигание топлива в котлах и в различных технологических аппаратах осуществляется в топочных устройствах (топках). При использовании в качестве источника энергии физической и химической теплоты отходящих газов промышленных печей для подвода к котлу такого теплоносителя применяют различные устройства.

Общая классификация топочных устройств показана на рис. 28

По назначению все топки можно разделить на тепловые, силовые и технологические.

Тепловые топки предназначаются для преобразования химической энергии топлива в физическую теплоту высокотемпературных газов для последующей передачи теплоты этих газов через поверхности нагрева нагреваемой среде (воде, пару).

Силовые топки служат для получения продуктов сгорания не только с высокой температурой, но и с повышенным давлением. Эти продукты сгорания используются непосредственно для силовых целей в газовых турбинах, соплах реактивных двигателей, поршневых двигателях и т. п.

Рис. 28. Общая классификация топочных устройств

В технологических топках сжигание топлива или протекание экзотермических реакций при переработке сырья совмещается с использованием в элементах котла выделяющейся при этом теплоты. Мы рассмотрим в основном тепловые топки котлов, а также некоторые непосредственно к ним относящиеся топочные устройства технологического назначения.

Как это показано ранее, тепловые топки подразделяют на слоевые для сжигания кускового топлива и камерные—для сжигания газообразного и жидкого топлива, твердого топлива в пылевидном (мелкодробленом) состоянии, а также для сжигания смеси топлив. Слоевые и камерные топки, в свою очередь, могут быть классифицированы по ряду признаков(рис.29).

Независимо от схемы организации горения полное время сгорания любого топлива в топке котла τ_r складывается из времени, необходимого для подвода окислителя к топливу (смесеобразование), τ_см, времени нагрева компонентов горения до температуры воспламенения τ_н и времени, необходимого для протекания самой химической реакции горения, τ_х т. е.

τ_r= τ_см+ τ_н+ τ_х

Этапы смешения и нагрева являются здесь физической стадией процесса τ_ф, а реакции горения — химической τ_х.

Если τ_ф<< τ_х то процесс находится, как известно, в кинетической области. Полное время сгорания топлива определяется в этом случае скоростью (кинетикой) химического процесса. Для кинетической области τ_r ≈ τ_х

Рис. 29. Классификация слоевых топок

 

При τ_ф>> τ_х т. е. когда время транспортировки окислителя к горючему значительно больше времени, необходимого для осуществления собственно химической реакции горения, процесс находится в диффузионной области, для которой τ_r ≈ τ_х.

Если время протекания химической реакции соизмеримо со временем физической стадии (τ_х ≈ τ_ф), то процесс находится в промежуточной области и полное время сгорания топлива τ_r определяется скоростью наиболее медленного этапа.

При сжигании газообразного топлива физическими стадиями процесса являются, образование горючей смеси из газа и окислителя (воздуха) и прогрев ее до температуры воспламенения. Горение газовоздушной смеси протекает с достаточно интенсивным тепловыделением, поэтому на прогрев ее до воспламенения требуется незначительное время. Кроме того, прогрев часто проходит параллельно с завершением смесеобразования, поэтому он не требует дополнительного времени. Таким образом, практически из подготовительных этапов физической стадии определяющим является этап смешения, т. е. τ_ф ≈ τ_см.

Рис. 30. Схема подачи в топку газа и окислителя:

В_г— подача топлива; V^I_в — воздух, подаваемый совместно с топливом; V^II_в — воздух, подаваемый раздельно

Время τ_см зависит от способа подачи в топку газа – топлива и окислителя (рис. 30).

При подаче в топку через горелку предварительно перемешанной газовоздушной смеси (V^I_в=V_в; V^II_в=0) имеем τ_см =0. В этом случае имеет место так называемый кинетический принцип организации процесса горения топлива. При раздельной подаче в топку горючего газа и окислителя (V^I_в=0; V^II_в= V_в), когда τ_см имеет наибольшее значение, реализуется диффузионный принцип, а при подаче в топку частично перемешанной смеси (V^I_в>0; V^II_в>0) — смешанный принцип организации процесса горения газообразного топлива.

Рис. 31. Схема горения капли жидкого топлива: 1— жидкость топлива; 2— пары топлива; 3 — зона горения; 4 — область диффузии окислителя и продуктов сгорания

При сжигании в камерной топке жидкого топлива физическими стадиями процесса являются этапы предварительного тонкодисперсного распыления топлива на мелкие капли, прогрев их, испарение и образование горючей смеси. Химической стадией процесса является этап горения этой смеси. Схема горения капля жидкого топлива показана на рис. 31.

Процесс горения твердого топлива также состоит из ряда последовательных этапов. В первую очередь происходят смесеобразование и тепловая подготовка топлива, включающая подсушку и выделение летучих. Получающиеся при этом горючие газы и коксовый остаток при наличии окислителя далее сгорают с образованием дымовых газов и твердого негорючего остатка — золы. Наиболее длительным оказывается этап сгорания кокса - углерода, который является основной горючей составляющей любого твердого топлива. Так, например, для антрацитов содержание углерода на горючую массу составляет 93—95, а для дров и торфа 50—60 %. Поэтому механизм горения твердого топлива в значительной степени определяется горением углерода.

15.2 Показатели работы топочных устройств

К современным топочным устройствам котлов предъявляется ряд требований: топочное устройство должно обеспечить заданную тепловую мощность установки с получением теплоносителя требуемых параметров; оно должно быть надежным в условиях длительной эксплуатации, безопасным и простым в обслуживании; при работе топки сгорание топлива должно быть по возможности более полным с минимальными потерями от химической и механической неполноты сгорания; должна иметься возможность изменения нагрузки котла в достаточно широком диапазоне; топка должна иметь относительно небольшой расход энергии на собственные нужды; должна быть предусмотрена возможность применения резервного топлива.

Основными показателями топочного устройства являются:

1) пригодность для сжигания данного топлива;

2) тепловая производительность МВт,

Q=В_рQ^р_р;

3) коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α_т

4) потеря теплоты от химической неполноты сгорания q_х.н, %;

5) потеря теплоты от механической неполноты сгорания q_м.н, %;,

6) видимая объемная плотность тепловыделения в топке q_v, МВт/м³, характеризующая возможность сжигания в единице объема топки топлива В_р, кг/с (или м³/с) при располагаемой теплоте Q^р_н, МДж/кг (или МДж/м³ с минимально допустимыми значениями q_х.н и q_м.н

q_v= В_рQ^р_р/V_т;

7) видимая плотность теплового потока зеркала горения (для слоевых топок) q_R, МВт/м², характеризующая возможность сжигания на решетке площадью R, м², топлива в количестве В_р, кг/с, с теплотой сгорания Q^р_н, МДж/кг, при минимально допустимых значениях q_х.н и q_м.н

q_R= В_рQ^р_н/R;

8) видимая плотность теплового потока, МВт/м² через сечение топки площадью F_т

q_F= В_рQ^р_р/F_т;

9) доля золы, уносимой газами из топки, а_ун;

10) необходимое давление воздуха перед топкой - р, Па;

11) температура дутьевого воздуха t_в °С.