Kотельные установки 1 Классификация котлов. Типы топок котлов

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 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. 3.4b). 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.

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

Qkolle – тепловая мощность топки, kW

B – расход топлива, kg/s

Qat – низшая теплота сгорания kJ/kg Форсирование топки – количество теплоты, которое выделяется за единицу времени на единицу поверхности поперечного сечения топки, kW/m2где А – площадь поперечного сечения топки, m2. Удельная объемная мощность топки – количество теплоты, которое выделяется на единицу объема топки в единицу времени, kW/m3.

где V – объем топки, m3. Удельная тепловая мощность решетки (слоевой) топки – количество теплоты, которое выделяется с поверхности решетки в единицу времени.

R – площадь поверхности решетки, m2

V – объем топочной камеры, m3

К.п.д. котла по прямому балансу находится отношением полезно используемого тепла Qkas к количеству тепла, поданного в в топку: где G – расход воды через котел,

h2 – энтальпия воды на входе в котел

h3 – 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 q2 – потери тепла с уходящими газами;

q3 – потери тепла от хим. недожега;

q4– потери тепла от мех. недожега;

q5 – потери тепла от выстывания котла;

q6 – потери тепла с физическим иеплом шлака. Для того, чтобы найти нетто-к.п.д. котла нужно cнять расход количества теплоты qsot и электрической энергии qeot на собственные нужды:

- потери от наружного выстывания;

- потери от внутреннего выстывания, которые вызваны неплотностью шиберов, задвижек;

- потери с растопкой котла, т.к. эти условия значительно хуже нормальных теплотехнических условий;

- потери тепла при останове котла, что связано с тем, что пламя в топке гаснет. Расчет этих потерь практически не возможен. Потери тепла при периодической работе можно определить только опытным путем.

3.3. Уравнение теплового баланса Тепловой баланс котельной установки показывает, как распределяется тепло, входящее в котельную установку. На основе теплового баланса определяется к.п.д. котельной установки. При эксплуатации составляют тепловой баланс на основании опытных данных, при проектировании же исходят из соответствующей методики расчета.

Тепловой баланс обычно составляют на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или 1м3 газообразного топлива.

где Qta – нижняя теплота сгорания топлива;

Qv.õ. – тепло подаваемого в топку котла воздуха, который подогрет вне котла;

Qk.f. – физическая теплота топлива;

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

Qka – теплота сгорания газового топлива. При сжигании сланца используемое тепло топлива вычисляется по формуле:

Где ΔQka означает теплоту эндотермического эффекта, обусловленного неполным разложением карбонатов:

При полном разложении kCO2 = 1 и ΔQka= 0 Тепло Qtk, подаваемое в в котельную установку, разделяется на полезно используемое Q1 и тепловые потери: Q2 – с уходящими газами;

Q3 – от химического недожега;

Q4 – от механического недожега;

Q5 – от выстывания котла;

Q6 – с физическим теплом шлака. Приравняв между собой используемое тепло топлива Qtk c затратами тепла, получим: Это выражение называется уравнением теплового баланса котельной установки. Уравнение теплового баланса в процентном выражении:

где

и т.д..

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

где Hv.g. – энтальпия уходящего газа из котла в kJ/kg или kJ/m3 ( сжигаемого топлива 1 kg или 1 m3)

αv.g– коэффициент избытка воздуха

H0k.õ – энтальпия воздуха, необходимого для сжигания 1 kg или 1 m3топлива (до воздухоподогревателя) в kJ/kg или kJ/m3.

где Vi – объемы компонентов (VRO2 , VN2 , VO2 ,Vh3O) уходящих газов на единицу массы или объема топлива m3/ kg , m3/ m3

c’i – изобарная объемная теплоемкость соответствующего газового компонента kJ/m3∙К

θv.g - температура уходящих из котла газов. На величину теплопотери q2 значительное влияние оказывает как температура уходящих газов θv.g , так и коэффициент избытка воздуха αv.g.

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

из-за увеличения неплотностей. Обычно теплопотеря q2 составляет 3...10 %, но вследствие выше перечисленных факторов может увеличиться. Для практического определения q2 при теплотехнических испытаниях котла следует определить температуру уходящих газов и коэффициент избытка воздуха. Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить процентное содержание RO2 , O2, СО в уходящих газах.

Содержание газовых компонентов определяют в сухом газе.

2. 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, Н2, СН4, 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 q3 зависит удельной объемной мощности топки. Оптимальная объемная мощность топки, где q3 минимальная зависит от сжигаемого топлива, технологии сжигания и конструкции топки. Теплопотеря от хим.недожега составляет 0...2% при удельной объемной мощности qv = 0,1 ... 0,3 MW/m3. В топках, где происходит интенсивное горение топлива qv = 3... 10 MW/m3, теплопотеря от хим.недожега отсутствует.

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

Теплопотери от мех.недожега q4 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 αr, αv, αlt - удельные количества твердого горючего остатка, который удален с решетки (αr), или из-под решетки как провалившегося сквозь неё (αv), или ушедшего из котла вместе с горючими газами в виде летучей золы (αlt).

At – золосодержание товарного топлива, %

2. Тепловые потери от внешнего выстывания котла

Тепловые потери от внешнего выстывания котла обусловлены проникновением тепла через обмуровку и тепловую изоляцию. Тепловые потери q5 зависят от толщины обмуровки и толщины тепловой изоляции деталей котельной установки. В случае больших ( мощных) котлов поверхность котла в сравнении с объемом меньше и q5 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 Fi , по середине которой измеряется тепловой поток qi W/m2.

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/m2∙К Δt = tF – tõ – средний перепад температур между поверхностью котла и средней температурой воздуха.

А – площадь внешней поверхности котла, состоящая из n частей площадью Fim2.

2. Теплопотери с физическим теплом шлака

где αr – относительное количество удаляемого шлака из топки котла

tr – температура шлака 0С

cr – удельная теплоемкость шлака kJ/ kg∙K

At – золосодержание в товарном топливе %.

4. 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. 

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-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

Из разницы в системе подачи вытекают прочие отличия:

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

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

Запуск из режим stand-by

Динамическое изменение мощности работы горелки

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

Тонкая настройка пеллетной горелки

Рис. 19. Основные формы топок судовых паровых котлов:

А - треугольная топка трехколлекторного Д-видного котла; б - ромбическая топка трехколлекторного однопроточного котла; в - цилиндрическая топка двухколлекторного однопроточного котла.