Котельные установки и парогенераторы

Министерство образования и науки РФ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра теплоэнергетики Энергетический факультет КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ Краткий конспект лекций для студентов направления 140100 Теплоэнергетика очной и заочной форм обучения Иркутск 2008 Котельные установки и парогенераторы. Краткий конспект лекций для студентов направления 140100 Теплоэнергетика очной и заочной форм обучения. Составитель: В.А.Бочкарев – Иркутск: ИрГТУ, 2008. – 110 с. 2 Содержание 1. Роль котлов в промышленной теплоэнергетике………………………… 4 2. Энергетическое топливо………………………………………………….. 6 3. Изменение зольности топлива. Отрицательное влияние зольности на работу котла …………………………………………………………… 11 4. Приведенные характеристики топлива ………………………………… 16 5. Коэффициент избытка воздуха …………………………………………. 21 6. Основы теории горения ………………………………………………….. 25 7. Пути интенсификации сжигания мазута ………………………………… 31 8. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива ………… 35 9. Топочные камеры …………………………………………………………. 42 10. Оптимальная тонкость помола ………………………………………….. 48 11. Молотковая мельница …………………………………………………… 55 12. Угловая поворотная горелка. Организация сжигания топлива с жидким и с твердым шлакоудалением. Организация сжигания жидкого топлива … 59 13. Комбинированные форсунки …………………………………………… 63 14. Схемы водопаровых трактов котла ……………………………………… 67 15. Особенности работы металла труб поверхностей нагрева ……………. 71 16. Водоподготовка …………………………………………………………… 73 17. Полная гидравлическая характеристика К.Е.Ц. и оценка надѐжности режимов …………………………………………………………………… 81 18. Факторы, влияющие на капельный унос ……………………………….. 86 19. Топочные экраны …………………………………………………………. 91 20. Впрыскивающий пароохладитель ……………………………………….. 96 21. Экономайзер ………………………………………………………………. 102 22. Переменный режим работы парового котла ……………………………. 106 3 Лекция №1 Роль котлов в промышленной теплоэнергетике. Принципиальная схема тепло-энергетической установки: Деаэратор удаляет из воды О2 и СО2 Рассмотрим рабочий цикл этой установки в Т-S диаграмме: 4 (1-2-3-4) – нагрев воды, еѐ испарение, перегрев пара. (4-5) – расширение пара в турбине. (5-0) – конденсация пара. (0-1) – регенеративный подогрев конденсата и питательной воды (для уменьшения расхода теплоты на нагрев пара). Схема котельной установки и принципы еѐ работы: Уголь (с dk < 25 мм) транспортѐром (1) ссыпается в бункер (2), затем питателем (3) подаѐтся в мельницу (5), где размалывается и подсушивается первичным воздухом. Он выносит пыль в сепаратор (8), где крупные частицы отделяются и возвращаются на домол. Мелкая пыль (40 – 100 мкм dпл) первичным воздухом через амбразуру (9) вдувается в топку (10) и сгорает факельным способом в потоке вторичного воздуха (температура в ядре факела Я = 1600÷1800 С (буквой обозначаются температуры греющей среды)). Засчѐт теплообмена факела с экранами в трубах (13) образуется пароводяная смесь, которая двигается по контуру естественной циркуляции (см. далее). Температура газов на выходе из топки т” = 900÷1100 С. В пароперегревателе (15) пар нагревается от tнас до tпе = 400÷550 С, а газы охлаждаются . В экономайзере (16) вода нагревается от tп.в. = 102÷260 С до tэк’’ ≈ tнас , охлаждая газы до эк’’ ≈ 350÷450 С. В ВЗП воздух нагревается от температуры tв.п.’ = 30÷80 С до температуры горячего воздуха tг.в. = 200÷420 С. Температура уходящих газов ух = 120÷180 С (дальнейшая утилизация экономически нецелесообразна). Уходящие газы очищаются в золоуловителе (19) и дымососом (20) через дымовую трубу (21) удаляются в атмосферу. Первичный воздух служит в качестве: сушильного агента, транспортного агента. Вторичный воздух необходим для обеспечения полноты сгорания топлива. Контур естественной циркуляции (см. рис. 2): Роп = Н∙g∙ρ’ Рпод = Н∙g∙ρсм Рисунок 2 Движущий напор Sдв = Роп – Рпод = Н∙g(ρ’–ρсм) Контур естественной циркуляции 11–12–13–11. Рабочие тракты: 1. 2. 3. 4. топливный газовый воздушный водопаровой 5 Лекция №2 Энергетическое топливо. Это горючие вещества, которые намеренно сжигают, чтобы получить значительные количества теплоты. Общая классификация по агрегатному состоянию: Твѐрдое Жидкое Газовое естественные Древесин, торф, бурый Нефть Природный газ уголь, каменный уголь, антрацит искусственные Брикеты, кокс Моторные топлива Генераторный газ отходы Отходы углерода Мазут Доменный и коксовый газ Твѐрдое топливо образовалось из останков растений в результате длительного разложения без доступа воздуха. Стадии преобразования 1) торфяная – разложение на открытом воздухе и впоследствии под водой. С – min, О – max. 2) буро-угольная – разложение продолжается под слоем земли при давлении свыше 100 атм. С – растѐт, О – падает. 3) каменно-угольная – аналогично стадии 2. Содержание С достигает максимума, О – минимума. Технические характеристики 1) Элементарный состав. 2) Влажность. 3) Зольность. 4) Выход летучих веществ. 5) Коксовый остаток. 6) Теплота сгорания. Элементарный состав топлива Горючая часть: Сложные хим. соединения состоящие из С, Н, S. 1. С = 20% (древесина) ÷ 70% (антрацит), 80÷85% (мазут и газы). горение С + О2 = > СО2 + 34 МДж/кг. Особенности: основное наполнение топлива. 2. Н = 2% (антрацит) ÷ 4% (древесина), 10÷11% (мазут и газы). горение 2Н2 + О2 = > 2Н2О + 121 МДж/кг Особенности: больше выделение теплоты ускоряет воспламеняемость. 3. Sобщ = Sгор + Sнегор = [Sорг + Sколч] + [Sсульф] a б в а) содержится в органических соединениях S + О2 = > SO2 + 9 МДж/кг б) содержится в колчедане (FeS2) FeS2 + O2 = > Fe2O3 + 3O2 в) содержится в сульфатах минеральной части топлива (CaSo4, MgSO4, FeSO4) S = 0, 1 ÷ 5% 6 Особенности: низкая теплота сгорания, образование токсичных газов (при сжигании SO2 и SO3), низкотемпературная коррозия воздухоподогревателей (5% SO2 + O = > SO3, H2O + SO3 = > H2SO4 если температура стенки ВЗП ниже точки росы H2SO4, то последняя конденсируется и реагирует с металлом стенки Fe + H2SO4 = > Fe2SO4 + H2). Балласт: Внутренний Внешний обусловлен содержанием кислорода и азота. влага и минеральные примеси. Бвнутр = О + N Бвнутр = О + N O = 2 ÷ 25 % Антр. Др. влага = 5 ÷ 70 % N = 0.2 ÷ 2 % Антр. Др. 1) ↑(O + N) → ↓(C + H + S) → ↓Q → → ↑B М = 1 ÷ 60 % 2) O Т2 ОПЛИВА Др. Угл .СТ. N ПР 3) N ТОПЛИВА 2 2 7 Виды исходной массы топлива 1) Рабочая – то, что поступает в котельную, Сp + Нp + Sp + Op + Np + Wp + Ap = 100% 2) Аналитическая – в условиях лаборатории, Са + На + Sа + Oа + Nа + Wа + Aа = 100% (Wа < Wp) 3) Сухая (Wр = 0), Сс + Нс + Sс + Oс + Nс + Aс = 100% 4) Горючая (Wр = 0, Ap = 0), Сг + Нг + Sг + Oг + Nг = 100% Для произвольного элемента справедливо Хр < Xа < Xс < Xг Переход от одной массы к другой осуществляется с помощью коэффициентов пересчѐта: Исходная масса Искомая масса Сухая 100 100 W p Рабочая Рабочая 1 100 W P 100 100 W P A p 100 Сухая Горючая При изменении табличного состава: X X табл 1 100 A c 100 p 100 W A p р 100 Wтабл A ртабл Горючая 100 100 W p A p 100 100 A c 1 Пример: Нр = 2% Wр = 50% Нс = ? Hc H p 100 100 W p 4% Влажность топлива Примерный диапазон влажности рабочей массы топлива Wp = 5÷70% 1) Внешняя - 3÷10%, на поверхности кусков. 2) Капиллярная – 10÷30%, содержится в полостях и капилярах кусков древесины. 3) Коллоидная – 1% (Антрацит) ÷ 5% (КУ) ÷ W, % 80 10% (БУ), удерживается органической частью 70 топлива. 60 4) Гидратная – < 0, 1%, входит в состав 50 кристаллогидратов минеральной части топлива (Al2O3∙SiO2∙2H2O, CaSO4∙2H2O) и не 40 удаляется при сушке. 30 С увеличением геологического возраста снижается пористость топлива и уменьшается его влажность. 20 10 Др. Торф БУ КУ Ант. 8 Влажность плохо влияет на работу котла: 1. ↑W → ↓(C + H + S) → ↓Q → ↑B 2. плохо воспламеняется и медленно горит; 3. низкая полнота сгорания; 4. нарушается сыпучесть; 5. смерзается; 6. коррозирует оборудование; Зольность топлива Характеристика его минеральной части до сжигания. Состав золы: 1) Al2O3 10÷40% 2) SiO2 30÷60% 3) FeO, Fe2O3, Fe3O4 4) CaCO3, MgCO3, FeCO3 5÷20% 5) CaSO4, MgSO4, FeSO4 6)K2O, Na2O, 1÷10% Различают примеси: 1) Первичные – попали в топливо при его формировании. 2) Вторичные – попали при залегании. 3) Третичные – при добыче, транспортировке и хранении. При сжигании происходят изменения в минеральной части: 1) при t = 150÷400 С Al2O3∙2SiO2∙2H2O = > Al2O3 + SiO2 + 2H2O 2) при t = 400÷600 С FeO + O2 = > Fe2O3 3) при t = 600÷800 С CaCO3 = > CaO + CO2↑, CaSO4 = > CaO + SO3↑ Зольность и минеральная часть топлива соотносятся примерно так: Ар = 0, 95Мр. Золовой баланс котла Собственно баланс: 1 = ашл + аун После горения образуются очаговые остатки шлак (ашл – доля шлакоудаления) и зола (аун – доля уноса золовых частиц). Зольность определяют в результате сжигания и прокаливания навески топлива (30 мин., 850ºС): Aa m зол 100%, m навески m навески 1 0,1г. Температурные характеристики золы Нагревают образец золы и фиксируют характерные температуры. 9 t1 = температура начала деформаций. t2 = температура размягчения. t3 = температура жидкоплавкого состояния. t0 = температура истинно жидкого состояния. если t3 < 1350ºС – легкоплавкая зола. 1350ºС < t3 < 1450ºС – среднеплавкая зола. t3 > 1450ºС – тугоплавкая зола. Компонент tпл-ия, ºС Na2O 900 Fe2O3 1000 SiO2 1600 Al2O3 2100 Температурные характеристики необходимо знать для: 1) правильного выбора топочного режима БУ ” т ≤ 1000ºС КУ ” т ≤ 1100ºС Если ” т > t1, то расплавленные части попадут на фестон. 2) правильного выбора системы шлакоудаления (в твѐрдом или жидком виде). 10 CaO 2600 Лекция №3 Изменение зольности топлива. Отрицательное влияние зольности на работу котла: 1. с ростом зольности снижается содержание горючих веществ в топливе, следовательно, снижается удельная теплота сгорания топлива, а значит, растет расход топлива; 2. низкая полнота сгорания; 3. происходит загрязнение поверхностей нагрева, следовательно, снижается коэффициент теплопередачи, поэтому снижается количество теплоты, отдаваемое газами, а значит, растет температура уходящих газов; 4. истирание труб поверхностей нагрева золовыми частицами; 5. повышается нагрузка на систему шлакозолоудаления. Ар, % 60 40 20 Торф Б.У. К.У. Ант. Выход летучих веществ. Если топливо нагреть, то при t < 105ºС происходит испарение влаги, но никаких изменений органической части топлива не происходит. А при t > 105ºС органические соединения термически неустойчивы и разлагаются на летучие вещества и косовый остаток. q летучие вещества: ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... . нагрев .. . ... коксовый остаток твердая частица Состав летучих веществ: 1. горючие газы (CO = 5-10%, H2 = 10-30%, CH4 = 20-40%), 2. негорючие газы (СО2 = 10%, N2 = 10%, O2 = 5%. Выход летучих веществ определяют по убыли массы навески при ее нагреве без доступа воздуха: m уб Vа 100% , выход летучих веществ на аналитическую массу топлива. m навески Время нагрева составляет 7 минут, нагрев осуществляется до 850ºС. На горючую массу топлива выход летучих веществ определяется по формуле: 100 Vг Va 100 W a A a 11 С увеличением геологического возраста топлива Vг снижается. Vг, % tнач.вых., ºС VГ 70 60 50 40 30 20 10 tн.в. 400 300 200 100 Торф Б.У. К.У АНТ. Коксовый остаток. После выхода летучих веществ остается коксовый остаток, который состоит из углерода и минеральной части топлива. Пары Н2О Летучие вещества W H N Кокс O Горючая часть C S A Рабочая масса топлива 1. Сг ≈ 96% 2. (О + N + S + H)г ≈ 4% Состав кокса: Спекаемость углей. Спекаемость углей – это способность углей образовывать прочный кусковой кокс. Особенности: при нагреве топлива до 350-400ºС, оно размягчается и затвердевает. Спекаемость оценивают по толщине пластичного слоя Пластометр: В пластометр засыпают 100г угля, нагревают и производят замеры. Исходный слой топлива У Размягченный слой 12 Затвердевший слой По шкале ВТИ кокс делят: 1. поршкообразный (У = 0); 2. слипшийся (У≈0); 3. спекшийся; 4. сплавленный; 5. сильносплавленный; У = 5-25, мм 6. сильносплавленый вспученный. На практике целесообразно сжигать топливо с характеристикой кокса “порошкообразный” и “слипшийся”. Ант., уголь класса Т Торф, Б.У., К.У. молодой К.У. О2 ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... . порошкообразный кокс (У = 0) О2 кокс сплавленный (У = 5-25, мм) порошкообразный кокс (У = 0) Теплота сгорания топлива. Теплота сгорания топлива – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. 1. Высшая теплота сгорания топлива кДж р формул Менделеева. Qв 339 С р 1030 Н р 109 (S O) p , кг 2. низшая теплота сгорания р р Qн Qв QH2O конд ; QH2O конд r G H2O , где r – скрытая теплота парообразования = 2500, кгН 2 О Wp Hp 9 , 100 100 кгтоплива кДж – на рабочую массу топлива; 25 (W p 9 H p ), кг 225 Н с – на сухую массу топлива; кДж , а G H 2O кг Qн Qн р с г Qв Qв р с г Qн Qв 225 Н г – на горючую массу; При изменении влажности: p 100 W2 p p p p Q н 2 (Q н1 25 W1 ) 25 W2 p W1 При изменении зольности: р 100 А 2 p p Q н 2 Q н1 р 100 А1 Теплоту сгорания определяют по тепловыделению в калориметре при сжигании навески топлива в стандартных условиях: k ( t кон t нач ) а Qб mн Qнр = 10 16 26, МДж/кг 13 Торф Б.У. К.У. Характеристики твердых топлив. Древесина: Ср = 25%, Нр = 4%, S = 0%, N = 1%, O2 = 25%, W = 40%, A = 1%, Vг = 85%, МДж Qнр = 10 кг Торф. Виды: I. По месту залегания: 1. низинный (на болотах); 2. верховой (боле высокие осушенные места); 3. смешанный. II. По форме добычи: 1. в брикетах; 2. фрейзерный (крошка). Состав: Ср = 30%, Нр = 4%, S = 0, 1%, N = 1%, O2 = 15%, W = 35%, A = 5%, Vг = 70%, МДж Qнр = 11 кг Бурый уголь. Признаки: 1. бурый цвет; 2. Vрг > 40%; МДж 3. Qвр < 24 . кг Особенности: 1. высокая влажность (классы влажности: Б1(W > 40%), Б2(W = 30-40%), Б3(W < 30%)); 2. высокая зольность Ар > 20%; МДж 3. низкая Qнр = 10 - 16 ; кг 4. малая механическая прочность. Каменные угли. Признаки: 1. серый цвет; 2. Vрг > 9%; 100 МДж 3. Qвр 100 А р > 24 . кг Особенности: 1. низкая влажность; 2. низкая зольность; 3. высокая механическая прочность. Каменные угли классифицируют по выходу летучих веществ и характеристике коксового остатка: № Марка Обозначение Vг, % У, мм 1 Длиннопламенный Д > 40 – От порошкообразного до слипшегося 2 Газовый Г 35-40 5 Сплавленный 3 Жирный Ж 25-35 4 Коксовый К 5 Отощенный ОС Сплавленный 6-20 17-25 14 Кокс Сплавленный Сплавленный спекающийся 6 Слабоспекающийся СС 7 Тощий Т 9-17 5 Сплавленный – От порошкообразного до слипшегося В энергетике сжигают угли марок 1, 2, 6, 7. Антрацит. Признаки: 1. черный цвет; 2. Vрг < 9%; МДж 3. Qвг > 30 . кг Состав: Ср = 65%, Нр = 1, 5%, S = 3%, N = 1%, O2 = 2%, W = 7%, A = 22%, Vг = 4%, МДж Qнр = 23 кг Антрациты классифицируют по размеру кусков: Марка Обозначение dк, мм Плита АП > 100 Крупный АК 50-100 Орех АО 25-50 Мелкий АМ 13-25 Семечко АС 6-13 Штыб АШ <6 Рядовой АР Неограниченно 15 Лекция №4 Приведенные характеристики топлива. Для сравнения экономичности котлов сжигающих различное топливо введено условное топливо. МДж Qрн.(усл.) = 29, 3 кг Qн В усл В нат Q усл Для оценки массовых расходов влаги, золы и серы существуют приведенные характеристики: Wp п 1. W p Qн Если Wп < 0.75, то топливо маловлажное, если же Wп > 2 – высоковлажное. Ар 2. А п p Qн Если Ап < 1, то топливо малозольное, а если Ап > 4 – высокозольное. Sp 3. Sп р Qн Если Sп > 0, 05 – мазут высокосернистый, если Sп > 0.2 – высокосернистый уголь. Изменение характеристик топлива: Топливо Дерево Сг, % Oг, % 50 Нг, % 43 Vг, % 6 Qнв, % 85 10 Торф Б.У. К.У. Ант. 26 93 2 2 4 23 Газовое топливо. Состав: СН4 + ∑СmHn + CO + H2S + H2 + CO2 + N2 + SO2 + O2 = 100% СН4 + ∑СmHn + CO + H2S + H2 – горючие вещества, CO2 + N2 + SO2 + O2 – негорючие вещества. Qнв = 0, 01 . (СН4 . QСН4 + ∑СmHn . Q∑СmHn + CO . Q CO + H2S . Q H2S + H2 . QН2), 16 МДж кг Природный газ. Имеет органическое происхождение. Природный газ образовался в полостях земли при давлении более 200 атм. Месторождения: 1. Тюменская область; 2. Республика Коми; 3. Южный Урал; 4. Ставрополье. Состав: СН4 + ∑СmHn + CO2 + N2 = 100%. СН4 = 70-99%, ∑СmHn = 1-10%, CO2 < 2%, N2 < 14%. Особенности: 1. Отсутствие внешнего балласта (влажность и зольность), 2. мало внутреннего балласта ( содержание азота менее 14%, а кислорода равно 0%), 3. содержание серы равно 0%, 4. высокая удельная теплота сгорания (Qсн. = 34-38, 5. плотность ρг = 0, 7-0, 9, МДж ), м3 кг , м3 6. взрываемость не горит взрыв Сниз горит Vг ,% Vг Vвозд Сверх 7. токсичность за счет CO, H2S ПДКCO = 0, 024%(предельная допустимая концентрация), ПДКH2S = 0, 01%. 8. нет цвета и запаха. Для обнаружения природного газа в него вводят одерант в количестве 10 г на 1000 м3 газа. Попутный газ. Образуется при добыче нефти, при резком снижении давления. Состав: СН4 = 40-60%, ∑СmHn = 25-35%, N2 = 20%. МДж Qсн. = 36-46 м3 Воздух (О2 = 21%) Подземный (генераторный) газ. генераторный газ + О2 порода угольный пласт Во входном штреке происходит окисление С и Н: С + О2 = СО2 Н2 + О2 = Н2О 17 В выходном же штреке протекают восстановительные реакции: СО2 + С = СО Н2О + С = СО + Н2 Состав: СО = 15%, Н2 = 15%, СО2 = 10%, N2 = 60%. МДж Qсн. = 4 м3 Доменный газ. Шихта(руда + кокс) CO2 + C = CO воздух зона активного горения С + О2 = СО2 Состав: СО = 30%, Н2 = 1%, СО2 = 10%, N2 = 60%. МДж Qсн. = 4 м3 Коксовый газ. Получается при производстве кокса при t = 500 - 1000ºС. Состав: СН4 = 25%, Н2 = 45%, N2 = 5%. МДж Qсн. = 38 м3 Жидкое топливо. Природное топливо – нефть, имеющая органическое происхождение, представляет собой смесь жидких углеводородов. Добывается через скважины за счет собственного давления. Месторождения: 1. Тюменская область; 2. Республика Коми; 3. Башкирия; 4. Татарстан; 5. Северный Кавказ. Мазут – остаток нефтепереработки на нефтеперерабатывающем заводе = 25-40%. tкип = 200 – 250 – 300 – 350, ºС бензин керосин дизельное топливо мазут Состав мазута: Ср = 84%, Нр = 11%, Sр = 0, 3-3%, (N + O2)р = 0, 5%, Wр = 3%, Aр = 0, 1%. МДж Qрн. = 40 . кг Марки мазута: 1. Флотские Ф5, Ф12; 2. топочные М40, М100; 3. мартеновских печей МП. Если Sр < 0.5%, то мазут малосернистый; 18 Если Sр = 0, 5-2%, то сернистый; Если Sр > 2%, то высокосернистый. Температурные характеристики: 1. Вязкость. Она влияет на продолжительность слива, на эффективность перекачивания насосами и на качество распыления форсунками. Условная вязкость: t ВУt = маз 200 С , ºУВ. С ростом температуры вязкость снижается. Н 2О 2. Температура застывания – температура, при которой мазут теряет свою текучесть. Испытания на текучесть происходят так: в пробирку наливают мазут; охлаждают до определенной температуры; затем пробирку наклоняют (45º), если в течение минуты уровень жидкости в пробирке не стал параллелен горизонту, то мазут застыл. tзаст. = 10-40ºС 3. Температура вспышки – температура мазута, при которой его пары образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении пламени. tвсп = 90-140ºС 4. Температура воспламенения – температура мазута, при которой пары воспламеняются и горят более 5 секунд. tвосп = tвсп + 15ºС г 5. Плотность ρмаз = 0, 96 – 1, 05 см 3 При эксплуатации влажность возрастает до 6 –15%, возникает эффект обводнения. В результате обводнения: а) снижается Qрн (так как снижается концентрация горючих элементов), а значит растет расход топлива В; б) снижается температура пламени в топке, поэтому снижается паропоизводительность котла; в)растет объем водяных паров VH2O, а значит растет температура уходящих газов, поэтому снижается КПД котла. 6. Зольность мазута очень мала Aр < 0, 1%, но она на 50% состоит из пятиокиси ванадия V2O5(tпл = 700ºС). Она разрушает защитную окислительную пленку на поверхностях нагрева, открывая доступ кислорода к металлу, и начинается процесс ванадиевой коррозии. защитная окислительная пленка Fe пар О2 V2O5 начинается процесс ванадиевой коррозии Fe + O2 = Fe2O3 Топочные процессы. С, Н, S – горючие элементы. Горение – химический процесс окисления горючих элементов кислородом, протекающий при высокой температуре, с высокой скоростью о сопровождающийся значительным выделением теплоты. С + О2 = > СО2 + Qc↑ 2Н2 + О2 = > 2Н2О + QH2↑ 19 S + О2 = > SO2 + QS2↑ Горение полное (образуются продукты СО2, Н2О, SO2) неполное (дополнительно образуются СО, Н2, СН4) Причины неполноты горения: 1. локальный недостаток окислителя: С + 0, 5О2 = > СО 2. температура газов < 1000ºС, либо > 2000ºС; 3. недостаточный контакт горючих элементов и окислителя. Расчет процессов горения твердого (жидкого) топлива. Топливо: С + Н + S + O + N + W + A = 100% Топочные газы: (СО2 + Н2О + SO2) + (СО + Н2 + СН4) + N2 + O2изб = 100% Воздух: О2 + N2 = 100% Элементарные реакции горения: 1. горение С Ср С + О2 = > СО2 МО2С = 2, 67 100 12 32 44 1кг 2, 67кг 3, 67кг 2. горение Н Нр 2Н2 + О2 = > 2Н2О МО2Н = 8 100 4 32 36 1кг 8кг 9кг 3. горение S Sр S + О2 = > SO2 МО2S = 100 32 32 64 1кг 1кг 2кг Теоретический расход О2: кгО 2 Ср Sр Ор Нр МО2 = МО2С + МО2Н + МО2S – МО2топл = 2, 67 + 8 + – , 100 100 100 100 кгтопл Теоретический объем воздуха – это то количество воздуха, которое необходимо израсходовать для полного сжигания 1 кг топлива, при условии, что весь кислород прореагировал с горючими. M O2 100 м3 V0 0.085C p 0.265H p 0.033(S O) p , SO2 21 кг С увеличением балласта Vº снижается м3 Vº = 3 – 6 – 10, кг Б.У. Антр. Мазут 20 Лекция №5 Коэффициент избытка воздуха. В топке не удаѐтся обеспечить идеального перемешивания горючего с окислителем. При подаче Vº (т.е. объѐма воздуха фактически необходимого для сжигания данной массы топлива) происходит недожог. Для полноты сгорания воздух подают с избытком Vв. V V  Vв α = коэф. избытка воздуха = в 1 V V αтопочной камеры зависит от: 1) способа сжигания (факельное сжигание твѐрдого топлива αт = 1,2÷1,25, слоевое сжигание αт = 1,4÷1,7). 2) вида и марки топлива (природный газ и мазут αт = 1,05÷1,1). 3) конструкции горелочного устройства. Присосы холодного воздуха в газовый тракт 1 αух Vух Sт’’ = 2-3 кг/м2 Рт < Ратм 1- уравновешенная тяга (работает и вентилятор и дымосос). Обмуровка котла имеет неплотности, т.к. засчѐт работы дымососа газоходы находятся под разрежением, поэтому холодный воздух присасывается к газам, увеличивая при этом коэф. избытка воздуха и объѐм уходящих газов. αух = αт + Δα Vух = Vт + ΔVв Δαт Δαпе перегреватель αпе’’ = αт + Δαпе Δαэк экономайзер αэк’’ = αпе’’ + Δαэк αт’’ Δαвп Δαх αух = αэк + Δαвп Присосы влияют отрицательно: 1) Δαт↑ → υср. фак↓ → qт↓ → D↓ → B↑, 2) Δαт↑ → υг↓ → Δt↓ = υг – tп.c. → Qотд↓→υух↑ → КПД↓, 3) Δα↑ → υух↑ → υдым↑. Меры борьбы с присосом 21 αгв = αт” – Δαт - Δαпс 1) уплотнение обмуровки. 2) B и Д настраивают так, чтобы Sт’’ = min (2÷3) кг/м2 3) Работа котла под наддувом (без дымососа, работает только мощный вентилятор). Расчѐт объѐмов продуктов сгорания твѐрдого/жидкого топлива При полном сгорании: α = 1: CO2 + SO2 + N2 + H2O = 100% RO2 – трѐхатомные газы (абстрактная характеристика). α > 1: CO2 + SO2 + N2 + H2O + O2 = 100% RO2 Теоретические объѐмы (α = 1): Объѐм 3-х атомных газов: VRO 2 VCO 2 M CO 2 VSO2 M SO2 CO 2 0,0187(C p 0,375 Sp ) м3 / кг ; SO 2 Объѐм водяных паров: VHH2O VHW2O VHВoзд 0,111 H P 2O a б в H M H 2O M HW2O H W а) VH 2O , б) VH 2O VHO2O H 2O H 2O 0,0124 W P 1 H 2O WP , 100 0.016 V O , Возд H 2O в) V M Возд H 2O Возд Vo Возд H 2O . H 2O Объѐм азота: VNO2 VNТопл 2 VNВoзд 2 0,008 N P 0,79 V O . Суммарный объѐм: VГO VR 2O VHO2O VNO2 . Действительные объѐмы (α > 1): VRO2 VN 2 const , VNO2 VH 2O VHO2O VO 2 0,21 ( VNизб2 VNO2 0.016( 1) V O , 0,79( 1) V O , 1) V O . Суммарный объѐм: VГ VR 2O VH2O VN2 VO2 . Расчѐт процессов горения газового топлива Особенности: 1. Расчѐты ведут на 1 м3, 2. Состав в объѐмных процентах: 1. топливо: (CO2 + H2 + H2S + CH4 + CmHn) + (N2 + CO2 + O2) = 100% 2. воздух: O2 (21%) + N2 (79%) = 100%. 3. продукты сгорания: (CO2 + H2O + SO2) + (CO + H2 + CH4) + N2 + O2 = 100% Элементарные реакции горения: 22 1. 2СO2 + O2 = 2CO2 = > требуется VOCO 2 1 0, 5 1 м3 2. 2Н2 + O2 = 2H2O = > требуется VOH2 1 0, 5 1 м3 0,5 0,5 CO , 100 H2 , 100 CO получается VCO 2 получается VHH2O 3. 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O = > требуется VOH22S 1 1, 5 1 1 м3 H 2S ; VHH22OS 100 4 4. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O = > требуется VOCH 2 3 1 2 1 2м CH 4 ; VHCH2O4 2 100 5. CmHn требуется VOC2mHn (m n Cm H n , ) 4 100 1,5 2 H 2S , 100 CH 4 , 100 CO ; 100 H2 ; 100 H 2S получается VSO 2 CH4 получается VCO 2 Cm H n получается VCO 2 m H 2S , 100 CH 4 , 100 Cm H n , 100 n Cm H n ; 2 100 Теоретический расход кислорода: VHC2mOHn VO2 VOCO 2 VOH22 VOH22S VOC2m H n VOтопл м3/м3; 2 H2 n (m )C m H n O 2топл ) м3/м3; 100 4 Расчѐт объѐмов продуктов сгорания: При полном сгорании топлива состав газов следующий: При α = 1 CO2 + SO2 + N2 + H2O = 100% Объѐм 3-атомных газов: CO H 2S n C m H n CO 2топл VRO 2 VCO 2 VSO 2 ; 100 100 2 100 100 Объѐм воды: n Cm H n VHO2O VHH22O VHH22OS VHC2mOHn VHгаз2O VHвоздух 0,01(H 2 H 2S 0,124d т.т. ) 0,0161 V O ; 2O 2 100 Объѐм азота: N 2топл ; VNO2 0,79 V O 100 Суммарный объѐм: VГО VR 2O VHО2O VNО2 ; VO VO2 100 0,0476(0,5CO 2 21 0,5H 2 1,5H 2 S При α > 1 CO2 + SO2 + N2 + H2O + O2 = 100% Объѐм 3-атомных газов: VRO 2 const ; Объѐм воды: VH 2O VHO2O 0,016( 1) V O ; Объѐм азота: VN 2 VNO2 VNизб2 VNO2 0,79( 1) V O ; Объѐм кислорода: VO 2 0,21 ( 1) V O ; 23 Суммарный объѐм: VГ VR 2O VH2O VN2 VO2 ; Основное уравнение газового анализа. Материальный баланс кислорода (автор Бунте) RO Г2 (1 ) CO Г (0,6 ) O2 21% a б в а) такое количество О2 расходуется на образование 3-х атомных газов, б) такое количество О2 расходуется на окисление СОГ, в) этот кислород переходит в газы в избыточном виде. RO Г2 , CO Г , O 2 – концентрация компонента полученная в процессе газового анализа %. f (C, H, S, O) – топливная характеристика = 0, 03 ÷ 0, 3 ÷ 0, 8. угли мазут прир. газ 21 O Г2 1) Если СО = 0 (недожог отсутствует), то RO 2 , 1 2) Если О2Г = 0 (т. е. α = 1), то RO max 2 21 1 21% / Контроль топочного процесса ведут по формулам: Углекислотная: При полном сгорании топлива и α = 1 состав газов – RO2 + N2 = 100%, где RO2 = RO2max = f(сост. топ.). Ориентировочные значения RO2max = > топливо RO2max, % углерод 21 АШ 20 При полном сгорании топлива и α > 1 состав газов – RO2 + N2 + Ку, БУ 18–19 RO max 2 мазут 16–17 O2 = 100%, здесь RO2 < RO2max, . RO 2 природ. газ ~12 Кислородная: VB VB VO VB VB Если VB 1 1 V VB 100 Г O 2 , VB 21 100 Г N 2 , то при полном сгорании топлива 79 1 . 79 O Г 2 1 21 N Г 2 Если недожег представлен виде СО, то с учетом СО + 0, 5О2 = СО2, выражение принимает вид 1 . 79 (O Г 2 СО Г ) 1 21 N Г 2 Если СОтопл = 0 и N2 = 0, то 21 21 О Г 2 24 О2, % 8 α 1 1, 6 Лекция №6 Основы теории горения. При горение: 1. Окислительные (прямые) реакции: С + О2 = > СО2 + Q1↑ 2Н2 + О2 = > 2Н2О + Q2↑ 2. Восстановительные (обратные) реакции: СО2 = > СО + О–Q3↑ H2O = > OH + OH–Q4↑ Различают горения: 1. гомогенное (горючие и окислитель в одном агрегатном состоянии); 2. гетерогенное (горючие и окислитель в разных агрегатных состояниях). При гомогенном горении скорость реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ WP = kAmBn. При гетерогенном горении скорость горения пропорциональна концентрации кислорода WP = kO2стенки. k – константа скорость химической реакции. k = k0e -E/RT k0 характеризует максимальное число активных молекул в реакционном объеме k0 = А Т Е – энергия активации, которую необходимо сообщить системе для разрушения старых внутримолекулярных связей и образования активных осколков, дающих начало новым реакциям. Q = E1–Е кДж С + О2 = > СО2 + 140, гмоль кДж СО + 0, 5О2 = СО + 60, гмоль Е Е Е1 η Е0 25 Для воспламенения смеси ее необходимо нагреть для , того чтобы увеличить долю активных молекул, т.е. таких у которых энергия больше энергии активации. 1. При Т = 0 к = 0; 2. с ростом Т растет и к; 3. при Т = ∞ к = к0. Скорость реакции горения зависит: 1. от Т 2. от Е 3. от концентрационных свойств смеси 26 Температура воспламенения топливной смеси. Это температура, при которой смесь воспламеняется и начинает устойчиво гореть. В топке происходит два процесса: 1. тепловыделение Q выд ~ k 0 e E RT Т ст ) 2. Теплоотдача от факела к экрану Q от (Т Для воспламенения необходимо, чтобы Qвыд > Qот Твоспл зависит: 1. от состава топлива; 2. от условий расхолаживания топлива. tвоспл = 225 – 250 – 400 – 900, ºС Торф БУ КУ Антр Области горения топлива. Общее время горения складывается из двух стадий: продолжительность химических реакций и продолжительности физических процессов. общ хим физ 1. если продолжительность химических реакций много больше продолжительности физических процессов, то общее время горения равно продолжительности химических реакций и горение происходит в кинетической области (зависит от температуры). 2. если продолжительность химических реакций много меньше продолжительности физических процессов, то общее время горения равно продолжительности физических процессов и горение происходит в диффузионной области (определяется скоростью доставки окислителя). 3. если продолжительность химических реакций равна продолжительности физических процессов – промежуточная область. Горение твердого топлива. общ тепл гор 27 1. ηтепл – время тепловой подготовки топлива. Оно включает в себя нагрев, испарение влаги и выход летучих веществ. 2. ηгор включает в себя горение летучих веществ и горение коксового остатка. лет гор кокс гор гор 0,8 кокс гор общ Механизм горения частиц. Поверхность частицы адсорбирует кислород с образованием комплексов СхОу, которые генерируют СО и СО2. С + О2 = > СхОу = > mCO + nCO2. Соотношение СО и СО2 зависит от температуры. 1. при t = 1200ºС 4С + 3О2 = 2СО + 2СО2 Из области СО2макс часть СО2 возвращается к частице и раскисляется СО2 + С = 2СО При малом расходе СО, О2 полностью не перехватываясь достигает поверхности частицы. 2. при t = 1700ºС 3С + 2О2 = 2СО + СО2 При высоком расходе СО, О2 расходуется полностью, не достигая поверхности частицы. Скорость горения твердого топлива. g O2 диф (О2 п ст О2 ) gO2 – расход окислителя, αдиф – константа скорости диффузии. Скорость реакции горения WГ k0 e E RT O2 ст Если решить эти два уравнения относительно О2ст, то получаем скорость горения: 1 п п WГ ( ) О2 k Г О 2 , kГ – константа горения. 1 1 k диф 1. при низких Т имеет место низкое значение k, значит 1 1 п много больше , поэтому WГ k О 2 и WГ зависит от Т. k диф 28 2. при высоких Т имеет место высокое значение k, а значит 1 1 п много больше , поэтому WГ диф О 2 и WГ зависит от скорости k диф подачи окислителя. αдиф~ 1 , где d тв – размер частицы топлива. d тв 1. область кинематического горения; 2. промежуточная область. 3. область диффузионного горения; Пути интенсификации горения. 1. предварительное измельчение; 2. интенсивное перемешивание в корне факела; 3. эффективная доставка О2 к горючим в конце факела. Горение жидкого топлива. Мазут в факеле сгорает в виде капель при распылении форсунками. Стадии горения: 1. нагрев до tкип ; 2. испарение топлива; 3. образование топливной смеси; 4. ее воспарение и сгорание. 1. 2. 3. 4. 5. 6. капля; зона диффузии паров; зона диффузии кислорода; зона горения; r0 – начальный радиус капли; rгор – радиус горения. rгор = (4–10) r0 Время горения капли определяется временем ее испарения. 2 r0 гор исп TГ О 2 п 29 1. при снижении r0, растет удельная наружная поверхность, а значит, растет теплота сгорания и снижается время испарения; 2. с ростом ТГ, растет Т Т Г Т исп , а значит, растет теплота сгорания и снижается время испарения; 3. с ростом О2п, растет скорость горения, а значит, снижается время испарения. За счет высокой теплоты сгорания QнР, мазут горит в диффузионной области. Особенность: При сжигании мазута имеет место термический крекинг (последовательное отщепление Н 2 с образованием частиц сажи). Недостатки сажеобразования: неполнота сгорания (0, 1-0, 3%); загрязнение окружающей среды; загрязнение поверхностей нагрева (снижается коэффициент теплопередачи k, поэтому снижается Qотд, а значит растет температура уходящих газов и снижается КПД котла). Для исключения сажеобразования проводят окислительный крекинг при активном внедрении воздуха в корень факела. При этом кислород, разрывая зону горения, проникает в зону диффузии паров для насыщения углеводородов кислородом. 30 Лекция №7 Пути интенсификации сжигания мазута. 1. 2. 3. 4. распыление на мелкие капли (dк < 500мкм); предварительный нагрев; высокие t в топке > 1500ºС; активное внедрение окислителя в корень факела. Горение газового топлива. При горении из компонентов СО, Н2 и СН4 образуются СО2 и Н2О. Академик Семенов разработал учение о цепных разветвленных реакциях согласно которому образуются промежуточные осколки, дающие начало новым реакциям. Причины образования активных центров. 1. Н2 + О2 = > ОН– + ОН– 2. Н2 + м = > Н + + Н + + м м – азот и т.п. 3. Н2О = > ОН– + Н + Горение водорода. Реакция горения: 2Н2 + О2 = 2Н2О (Еактивации = 550, Н + + О2 = > 3Н + + 2Н2О кДж ; tвоспл = 550ºС) гмоль Горение оксида углерода. кДж 2СО + О2 = > 2СО2 (Еактивации = 100, ; tвоспл = 600ºС) гмоль При t < 700 ºС Н2О = > ОН– + Н + , а СО2 СО + ОН– Н + + О2 Горение метана. кДж СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О (Еактивации = 150, ; tвоспл = 630ºС) гмоль Особенности: Горит в две стадии: а) приготовление топливной смеси ее нагрев до tвоспл; б)воспламенение и горение; При t = 300 – 400 ºС идет пиролиз – процесс термического разложения с последовательным отщеплением Н2 и образованием сажи: С2Н6 = > С2Н4 + Н2 С2Н4 = > С2Н2 + Н2 С2Н2 = > 2С + Н2 Для исключения сажеобразования организуют предварительное смешивание топлива с окислителем: СН4 + О2 = > СН3 + Н + + О2 Н + + О2 = > ОН– + О + 2 СО СН + ОН = > СН2О Н2 Пути интенсификации сжигания природного газа: 1. деление топлива на тонкие струи со скоростью 50–100, м/с; 2. активное смесеобразование до фронта горения; 31 3. турбулизация воздушным потоком при скорости Wвозд = 35–45, м/с. Энтальпия продуктов сгорания. кДж кДж J = C.V. , для твердого и жидкого топлива, для газового топлива. кг м3 1. При α = 1 VГº = VRO2 + VºH2O + VºN2 J RO2 VRO2 (C ) RO2 J 0 H 2O J 0 N2 V 0 H 2 O (C V 0 N 2 (C ) H 2O ) N2 J Г J RO2 J 0 H 2O J 0 N 2 Для высокозольных топлив дополнительно учитывают энтальпию золы АР J зол ) зол ун (С 100 2. При α > 1 VГ = VГº + ∆VB J Г J Г " J возд J возд J возд ( 1) J возд V 0 (C ) возд Тепловой баланс котла. Он характеризует распределение теплоты, вносимой в топку, на полезно используемую и тепловые потери. кДж кДж Р QР Q1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 , ( 3 ), где м кг р Qр – располагаемая теплота топлива; Q1 – полезно используемая теплота; Q2 – потери теплоты с уходящими газами; Q3 – потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива; Q4 – потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива; Q5 – потери теплоты от наружного охлаждения котла; Q6 – потери теплоты с физической теплотой шлака. Qi Если q i 100% , то q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = 100%. p Qp Располагаемая теплота топлива Такой теплотой называется, та теплота, которой топливо располагает при сжигании. Р р QР Qн Q тл Qв.вн. Qпар . Qкарб р 1. Q н – теплота сгорания. Является функцией состава топлива; 2. Q тл – физическая теплота топлива Q тл С тл t тл , где С тл С ух 100 W р 100 Свл Wр (для углей) или С маз 100 (для мазута); 3. Q в.вн. – теплота, вносимая в топку с воздухом при его нагреве. 32 1,74 0,0025 t маз ' (J' в.п. J х.в. ), где ' Q в.вн. Т " Т П.Е. ВП коэффициен т расхода; V 0 ct' вп энтальпия перед воздухоподогревателем ; J х.в. J' вп V 0 ct хв энтальпия холодного воздуха 4. Qпар – теплота, вносимая в топку с паром при паровом распылении мазута Qпар пар (i п 2500) , где ζпар = 0, 3 – 0, 35, кг – относительный расход пара на кг распыление мазута; 5. Q карб – теплота, расходуемая на разложение карбонатов при сжигании высокозольных топлив СаСО3 = > CаО + СО2– Qкарб Qкарб = 40(СО2)ркарб. Полезно используемая теплота. Это та теплота, которая расходуется на нагрев воды, парообразование и перегрев пара. Dпр– расход продувочной воды для вывода части солей с целью предотвращения накипеобразования. D пр (1 10%)D ПЕ D П .В D ПЕ DН D ПР D ПЕ DН D ПР (i ПЕ i П.В. ) (i Н i П.В. ) (i ПР i П.В. ) B B B Q1 q1 100 Qp p При слоевом сжигании угля q1 = 80%, а при сжигании мазута и природного газа q1 = 94%. Потери тепла с уходящими газами. Это та теплота, которую газы уносят через трубу в атмосферу при t = 120–170ºС. Q i J ух J х .в. Q1 J 0 ух J ух JB ух 1) J 0 B V г (С ) В J х .в . J 0 х .в . q2 ( ух J 0 х .в . ct B V 0 Q2 100 4 10% p Qp Факторы, влияющие на потерю теплоты с уходящими газами. 1. температура уходящих газов Для снижения υух размещают дополнительные поверхности нагрева. 33 В области низких температур, даже незначительное снижение υух требует значительного количества поверхностей нагрева, поэтому оптимальную υух определяют технико-экономическими расчетами. С ростом υух, растет J2, а значит, снижается КПД, поэтому растет В, а значит и затраты на топливо. Для снижения υух, требуется увеличение Ннагр, что требует денежных затрат. 2. Присос холодного воздуха С ростом ∆α, растет объем и температура уходящих газов, соответственно возрастает их энтальпия, а значит, растет потеря с теплотой уходящих газов. 3. Влажность топлива. С ростом влажности, растет содержание воды в топливе, а значит, растет q2. 4. Загрязнение поверхностей нагрева. С увеличением толщины загрязненного слоя снижается коэффициент теплопередачи k, снижается Qотд, растет υух = > растет q2. 5. паропроизводительность котла. С ростом D, растет Qвыд пропорционально D1. С ростом D, растет Qотд пропорционально Dº.6. Меры борьбы с q2: 1. чистота поверхностей нагрева; 2. устранение присосов. 34 Лекция №8 Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива. При сжигании топлива, кроме СО2, Н2О и SО2 образуются СО, Н2 и СН4 сжигание которых за пределами топки невозможно в виду низких температур. Та теплота, которая выделилась бы при их сжигании, называется потерей от химического недожога. Q 3 Q CO VCO Q H 2 VH 2 Q CH4 VCH4 если VCO то Q3 q3 VС.Г. CO 100 VС.Г. (126 СO 108 H 2 358 CH 4 ) Q3 100 p Qp q3 для 1. природного газа равно 0, 1-1%; 2. слоевого сжигания газа 0, 5-5%; 3. факельного сжигания угольной пыли 0-0, 5%. Факторы, влияющие на q3: 1. коэффициент избытка воздуха αТ. При αТ < αкр появляются зоны с недостатком окислителя = > образуются СО, Н2 СН4. Для природного газа и мазута αкр = 1, 03, а для угольной пыли αкр = 1, 15. 2. Температура в топке При υГ < 1000 снижается скорость реакции горения , растет содержание СО, Н2, СН4 и растет q3. Если υГ > 2000 идет процесс диссоциации (продукты полного сгорания распадаются на более простые). 3. тепловые напряжение топочного объема p B Q p МВт qV , 3 Vтоп м qV характеризует время пребывания топлива в топочной камере. 35 qV ~ 1 преб При qV < 0,1 снижается В, при этом снижается υГ, соответственно снижается Wгор, а значит, растет q3. А если qV > 0,4, то растет В, а значит, растет vГ, при этом растет WГ, следовательно снижается ηпреб, поэтому растет q3. 4. паропроизводительность котла. 5. скорость вторичного воздуха. При снижении скорости вторичного воздуха = > снижается скорость смесеобразования, а значит, растет СО, Н2 и СН4, соответственно растет q3. Пути снижения q3: 1. интенсивное предварительное смесеобразование при αТ = оптимальное; 2. высокие температуры 2 1200 1700, 0 С ; 3. оптимальный расход для данной топки. Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива. При сжигании топлива, часть его не сгорает в топке и выносится за ее пределы с частицами золы и шлака. Та теплота, которая выделилась бы при дожигании горючих в шлаке и уносе называется потерей теплоты с механическим недожогом. 36 q4 Q4 p , где Q 4 Q4 шл Q4 ун Г ун G ун Г шл G шл шл ун Q гор Q гор 100 В 100 В Qp 1. Г – содержание горючих в шлаке и уносе; 2. G – расход шлака и золовых частиц; 3. Qгор – теплота сгорания горючих в шлаке и уносе. С учетом золового баланса получаем Г ун Г шл Ap Ap шл ун шл ун 1 а ун а шл Q 4 Q 4 Q4 Q гор Q гор 100 Г шл 100 100 Г ун 100 Факторы, влияющие на q4: марка топлива С ростом VГ снижается время воспламенения и растет пористость топлива, а следовательно снижается q4. 1. зольность топлива С ростом ухудшается доступ О2 к горючим и повышается q4. 2. размер частицы С ростом d растет толщина золовой оболочки, а , значит снижается доступ кислорода, 37 следовательно, растет q4. 3. тепловое напряжение топки 4. паропроизводительность котла 5. коэффициент избытка воздуха Если αТ < 1, 2, то q4 растет из-за нехватки окислителя, а если αТ > 1, 2, то q4 растет из-за увеличения скорости газов и снижения времени пребывания. Потери теплоты от наружного охлаждения котла (через обмуровку). q5 Q5 Q5 p Qp H ст [ В кон ( t t хв ) q луч ]; q T [ кон ( t t хв ) q луч ] 200 300, 38 Вт м2 С увеличением D q5 снижается H ст q T 1 Q5 ~ p p L Qp B Qp При переменных нагрузках q5 D ном ном D q5 q5 Потери с физической теплотой шлака. При сжигании твердого топлива образуется шлак, который выводится из топки при t = 6001500ºС. Q6 q6 f (a шл , t шл , А р ) p Qp Виды топок. 1. С твердым шлакоудалением q6 Q6 ; Q6 p Qp a шл Ар ct шл , при ашл ≈ 0,05 q6 ≈ 0 100 39 2. С жидким шлакоудалением Q6 a шл Ар плавл ct шл q шл 100 qшлплавл = 240-280, кДж кг tшл = 600-1500ºС При ашл = 0, 15 q6 = 1%. Коэффициент полезного действия котлов. Это отношение теплоты полезно используемой к располагаемой теплоте топлива. 1. По прямому балансу Q1 D ПЕ (i ПЕ i ПВ ) брутто 100,% к p p Qp В Qp D ПЕ – испарительность топлива, для газового топлива и мазута U = 15-16, U В для КУ U = 7-8, для БУ U = 5-6. 2. По обратному балансу брутто 100 (q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 ) q1 80 94% к Расход топлива. В D ПЕ (i ПЕ брутто i ПВ ) p , кг с Qp q4 Вр В (1 ) 100 При эксплуатации часть энергии на привод дымососа, вентилятора, элементов системы Q собств .нужд нетто брутто пылеприготовления, поэтому, с учетом собственных нужд: к k p В Qp к 40 Оптимальный режим работы парового котла Определение αТопт. 41 Лекция №9 Топочные камеры. Они служат для сжигания топлива с целью получения энергии, заключенной в нем. Предъявляемые требования: 1. развитие и завершение процессов горения; 2. обеспечение требуемой паропроизводительности; 3. максимальное шлакоулавливание; 4. охлаждение газов до требуемой температуры уходящих газов; 5. широкий диапазон регулирования. Показатели работы 1. тепловая мощность QT 2. αТ; 3. q3, q4; p B Qp 4. q V ; VT 5. aун. В Qp p Слоевое сжигание твердого топлива Организуется при сжигании углей в виде кусков на колостниковой решетке. Включает: 1. подача топлива в слой; 2. перемешивание кусков в слое; 3. вывод шлака. Слоевые топки. Немеханизированные (ручные) полумеханические 42 механические Немеханические топки. 1 – решетка колостниковая; 2 – топочный объем; 3 – зольник; 4 – загрузочное окно; 5 – испарительный котельный пучок. f отв Доля живого сечения 100% 10 24% R Здесь организованна противоточная схема движения топлива сверху вниз, то есть топливо движется сверху, воздух снизу вверх. Организация слоевого сжигания топлива Воздух проходит через слой шлака и нагревается до 6000С. В окислительной зоне топливо сгорает, при этом происходит снижение концентрации О2 до 0%. В восстановительной зоне при О2=0% происходит раскисление СО2. Для повышения эффективности сжигания: 1. ограничивают высоту слоя Нсл=50 – 100, мм 2. надслоевое дутье воздуха. Общее время горения складывается из времени зажигания и времени непосредственного горения топлива. Во время зажигания входит: 1. нагрев; 2. испарение влаги; 3. выход летучих веществ. общ заж гор 43 Немеханизированные топки применяют при D < 2,5, т/ч. Недостатки: 1. тяжелый физический труд; 2. цикличность процесса; 3. сложность регулирования топливо-воздух. Полумеханические топки Применяют при D = 4–6,5, т/ч. Такие топки включают в себя: 1. пневматический забрасыватель (ПМЗ) 2. решетка с поворотными колостниками (РПК) Поворотом колостников на 20º перемешивают слой, при этом происходит снижение q4 на 1%. 44 Механические топки. Они применяются при D = 6,5 – 20 т/ч. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. бункер топлива; зубчатое колесо; цепная решетка; шибер; топочное пространство; огнеупорный свод; шлакосниматель; шлаковый бункер; воздушные каналы. В таких топках применяют безпровальную решетку (ЧШР – чешуйчатая решетка). bp=2-3, м; lp=3-8, м; υрешетки=1-20, м/ч. 1. сырое топливо; 2. зона тепловой подготовки; 3. зона горения а) окислительная зона; б)восстановительная зона; 4. зона шлака. 45 А – самопроизвольное распределение воздуха. Б – теоретическое распределение воздуха; В – секционное дутье. Оно организуется с помощью перегородок для эффективного сжигания топлива. Для повышения полноты сгорания организуют над слоевое дутье с Wг = 50-60, м/с. Механические топки применяют при сжигании АС и АМ. Факельно-слоевая топка. Так как решетка движется в обратном направлении, то 1. ηпреб=ηгор~dтв, при этом q4 снижается до 1%; 2. можно сжигать до 40 % мелочи. Применяют для бурых и каменных углей. Показатели слоевых топок: МВт МВт αТ=1,3-1,7; q3=0.5-2%; q4=6-14%; qv=0.2-0.4, ; qR=B.Qpp/R=0.6-1, ; 3 м м2 tгв < 2500С Подготовка топлива к сжиганию Организация сжигания твердого топлива. Уголь поступает на станцию в вагонах и подлежит дроблению. Характеристики угольной пыли: 1. малая насыпная плотность (ρплнас= 400-500, за 3-6 часов пыль слеживается (ρпл= 900, кг ) м3 кг ), теряет сыпучесть поэтому стенки бункера м3 делает под углом 60º; 46 2. влажность пыли. Влажная пыль – слеживается, сухая – взрывоопасна. Поэтому оптимальная влажность для антрацита 1-2%, для каменного угля 5-10%, для бурого угля 1020%, для торфа 30-35%; 3. полидисперсность (1-1000, мкм). Фракционный состав определяют путем рассева пыли на ситах с ячейками: х = 90 200 500 1000 мкм Механизм рассева mост + mпр = m0 m ост 100, % m0 По результатам рассева строится зерновая характеристика Полный остаток пыли на сите R x 1 – тонкая пыль; 2 – грубая пыль. n R x 100 e b x , где b и n константы Время горения отдельной частицы зависит от ее размера и марки топлива 47 Лекция №10 Оптимальная тонкость помола. С ростом диаметра частицы растет масса горючих веществ, а значит, увеличивается время горения. С ростом Vг уменьшается время воспламенения и снижается время горения. С ростом размера частицы растет R90 и растет q4, а значит, снижается КПД котла, следовательно растет расход топлива, поэтому увеличиваются затраты на топливо. Для снижения размера частицы, необходимо снизить R90, следовательно увеличатся затраты на помол. опт R 90 4 0,8 V Г , % Топливо Ант, Т КУ БУ R90опт, % 7-8 20-35 50-60 Топливо с высоким Vг, быстро воспламеняется и полнее сгорает, поэтому допускает более грубый помол. 48 Механическая прочность углей Она влияет на: 1. энергозатраты на помол; 2. производительность мельниц; 3. износ мелющих органов. Коэффициент размолоспособности К ло на влажность и дробление К рт К ло вл Э Ант Э иссл .в 1 . Для рабочего топлива вводятся поправки во . Для каменных углей Крт = 1,2-1,8, а для бурых углей др Крт>2. По Крт проектируют мельницы. Абразивность твердого топлива Абразивность – способность частиц истирать поверхности мелющих органов. G ст 3 г , где числитель – износ металла (Сталь 3), а знаменатель – К абр 0,3 0,8, Э кВт ч энергозатраты. По Кабр судят о продолжительности межремонтной компании. Взрываемость угольной пыли Угольная пыль в смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь. Предельное значение О 2 при котором взрыв не происходит. О2пред = 16 18 19,% торф БУ КУ Вероятность повышается: 1. с ростом Vг; 2. при снижении Wпл; 3. при снижении R90; 4. с ростом tаэросмеси. Поэтому tаэрпред = 70 100 130, 0С БУ КУ Ант Для защиты пылесистемы от возможного взрыва, они оборудованы взрывными клапанами. Системы пылеприготовления Система пылеприготовления с промежуточным бункером. БСУ – бункер сырого угля; 49 ПСУ – питатель сырого угля; М – мельничное устройство; С – сепаратор; Ц – циклон. Он служит для отделения пыли от сушильного агента; ПБ – промежуточный бункер; ПП – питатель пыли; СМ – смеситель; МВ – мельничный вентилятор; 1в – первичный воздух; 2в – вторичный воздух. Vобщ B пл Т V V1 (0.15 0.2) Vобщ V2 Vобщ V1 Недостатки: 1. сложность; 2. высокие присосы; 3. высокое сопротивление. Достоинства: 1. независимость работы мельницы от режима котла; 2. надежность (при аварии в мельнице она отключается, а котел продолжает работать). Применяют при размоле антрацита и углей класса Т. Пылесистема с прямым вдуванием пыли в топку V2 (0.3 0.6) Vобщ Свежеприготовленная пыль, не накапливаясь, сразу отправляется к горелкам. Достоинства: 1. простота; 2. малое сопротивление. Недостатки: 1. зависимость работы мельницы от режима работы котла; 2. ненадежность (при аварии в мельнице котел останавливается). Применяют при размоле торфа, БУ, КУ, с Vг > 30%. 50 Углеразмольные мельницы. Тихоходные (ШБМ) Среднеходные (МШС) Шаровая барабанная мельница (ШБМ) Быстроходные (МВ, ММ) 1 – барабан; 2 – шестеренка; 3 – редуктор; 4 – электродвигатель; 5 – броневые плиты. D б 2 4м; Lб 3 8м; dш 30 60мм; t 1 380 4200 C. Факторы, влияющие на размол: 1. частота вращения барабана. С ростом частоты возрастает производительность мельницы, 42,3 но при n > nкр = , все шары прижмутся к внутренней поверхности барабана и Вм = 0, Dб поэтому nраб = 0,75.nкр; 51 2. доля шаровой загрузки: Vшар 0,25 Vбар 3. диаметр шаров. При уменьшении диаметра шаров, снижается Вм. Износ шаров составляет ≈ гр 150 300 т.угля 4. скорость вентиляции Wб = 1 3м / с 5. удельные энергозатраты на помол Nм Эм ; N м N хх b Bм , кВт Вм 52 Достоинства: пыль тонкого помола. Недостатки: громоздкость; грохот; кВт ч т Применяют при размоле антрацита и углей класса Т. высокие энергозатраты Эм = 30 53 Мельница шаровая среднеходная (МШС) 1 – размольный стол; 2 – шары; 3 – опорное кольцо; 4 – пружины. D ст 0,9 1,4м; dш 0,2 0,4м; 3500 C. 115 n опт ; D ст Вм ~ Dст3 Достоинства: меньшие энергозатраты; компактность. Недостатки: чувствительность к попаданию металлических предметов; сложность эксплуатации. Применяют при размоле каменных углей. t1 54 Лекция №11 Молотковая мельница. Позиции: 1 – вал. 2 диски. 3 – молотки. 4 – броневые плиты. 1в – первичный воздух (t = 380÷420ºC). δпл ≈ 30 мм. Производительность мельницы Вм ~ (n∙Dм)3. Определение Воптим.: Эм = Nм . Bм Достоинства: простота. низкие энергозатраты (до 12кВтч/т). Недостатки: грубый помол. значительный износ молотков (500÷600 ч ~ 50% износа). Применяют для размола торфа, БУ, КУ с Vг > 30%. Схема мазутного хозяйства. 55 I – приѐмно-сливочное устройство. II – мазуто-насосная. III – газомазутная точка. 1 – эстакада по сливным желобкам. 2, 8 – фильтры грубой и тонкой очистки. 3 – приѐмная ѐмкость. 4 – перекачивающий насос. 5 – расходная ѐмкость (90ºС). 6,9 – насосы первого и второго подьѐма. 7 – подогреватель мазута. 10 – запорная задвижка. 11 – отсечной клапан для срочного отключения топлива. 12 – регулятор давления для изменения расхода топлива. 13 – расходомер. 14 – форсунки. 15 – линия возврата мазута. Для исключения застывания мазута, мазутопроводам придаются паровые спутники: Схема газового хозяйства. Позиции: 1 – газовая магистраль. 2 – задвижка с электроприводом. 3 – фильтр. 4 – регулятор давления. 5 – предохранительный клапан (для аварийного сброса газа). 56 6 – газовая свеча (трубопровод в атмосферу). 7 – расходомер. 8 – подача сжатого воздуха. 9 – линия к запальнику. 10 – отсечной газовый клапан (ОКГ). 11 – регулирующий клапан. 12 – бойпасная линия (мера предосторожности на случай аварии основной линии). 13 – газовая горелка. При выводе газопровода в ремонт, он продувается сжатым воздухом через свечи 6. При этом соблюдают условие CH4остаточное < 1%. Перед растопкой все газоходы заполняются топливом, при этом должно быть O2остаточное < 1%. Факельные топочные устройства: 1) пылеугольные. 2) газомазутные. Пылеугольные горелки. Бывают вихревые и прямоточные. Вихревые: 1) Горелка ОРГРЭС. Позиции: 1 – труба первичного воздуха. 2 – улитка вторичного воздуха. 3 – рассекатель (обеспечивает угол раскрытия факела, т.е. подсос топочных газов). γ – угол раскрытия факела = 30 – 10 – 110 = f(Vг). КУ Т АШ 2) Горелка ТКЗ (таганрогский котельный завод). 1 – улитка первичного воздуха. 2 – улитка вторичного воздуха. 3 – растопочная форсунка. Все вихревые горелки даѐт короткий, широкий, недальнобойный факел: LD D амбр 3 4. Факторы влияющие на воспламенение: 1) Начальная температуры аэросмеси: ↑tо → ↓(tвоспл - to) → ↓ηвоспл. 2) Доля первичного воздуха (для снижения времени воспламенения еѐ ограничивают). 57 ↓Vг → ↓Qна нагрев до tвоспл → ↓ V1в . Vобщ 3) Для нормальной работы горелок принимают оптимальные скорости первичного и вторичного воздуха: 1) ↑Vг → ↑dтв → ↑W1. 2) ↑Vг → ↑q3 → ↑Wсм → ↑W2. W1 = 15 – 20 м/с. W2 = 20 – 25 м/с. Т, АШ КУ Достоинства: 1) эффективность смесеобразования. 2) широкий диапазон регулирования. 3) недальнобойность. Применяют АШ, Т, КУ (при условии использования ШБМ и МШС). Прямоточные: 1) Угловая щелевая горелка. 1 – канал первичного воздуха. 2 – канал вторичного воздуха. Особенности: 1) вялое неинтенсивное смесеобразование. 2) отсутствие турбулизирующего эффекта. 3) малый угол раскрытия факела. 4) высокая дальнобойность. Т, АШ 58 КУ Лекция №12 2) Угловая поворотная горелка ЗиО (завод имени Орджоникидзе): Позиции: 1 – сопло первичного воздуха. 2 – сопло вторичного воздуха. 3 – рассекатель. Поворотом сопел вверх/вниз (±15º) меняют направление ввода аэросмеси в топку, положение факела и таким образом регулируют температуру на выходе из топки: + α → ↓ηпреб. газов → ↓Qлучист. → ↑ т . – α → ↑ηпреб. газов → ↑Qлучист. → ↓ т . 0 – 0 – нулевое положение горелочного устройства. 100 C . т Все прямоточные дают слаборасширяющийся дальнобойный факел. Для снижения дальнобойности, ускорения воспламенения и повышения сгорания топлива горелки размещают по углам топки: a 1,2 , Dв – диаметр вихря ≈ 1,5 м. b Оси сопел направляются по касательной к вихрю. W1в, 2в ≈ 30 м/с. Применяют для сжигания бурых и каменных углей. 3) Плоскофакельная горелка: 59 4) Эжекционная горелка – амбразура (центральный котлотурбинный институт): Позиции: 1 – эжекционные сопла. 2 – амбразура. Сопла 1 делят аэросмесь на плоские вертикальные струи. Их развѐрнутая компоновка способствует разносу факела вверх и вниз и ускоряет воспламенение. Применяют при сжигании торфа, БУ, КУ (с Vг > 30% и размоле в молотковых мельницах). Топка с твѐрдым шлакоудалением. Позиции: 1 – топочный объѐм. 2 – «холодная» воронка. 3 – амбразура. 4 – топочные экраны. 5 – фестон. 6 – барабан. t ≈ 600ºС, dн = 50-60 мм, Н = 10÷40 м. Теплонагрузка экранов qэкр = 0,1÷0,3 МВт/м2. Допустимая температура т = 1000÷1100ºС. Выгорание топлива по длине факела неравномерно. βст – полнота сгорания. l/lф – относительная длина факела. Показатели работы: БУ КУ q pv = 0,15÷2 МВт/м3. т = 1,2, q3 = 0,5%, q4 = 0,5÷2%, Достоинства: 1) q6 ≈ 0 (низкая aшл, низкая tшл). Недостатки: 1) значительный вынос частиц золы в газоходы 95% и как следствия: а) загрязнение поверхностей нагрева. б) абразивный износ труб. 60 Применяют при сжигании торфа, БУ и КУ с Vг > 30%. Топка с жидким шлакоудалением. Позиции: 1 – камера горения, покрытая огнеупорным материалом (в ней сгорает 90% топлива). 2 – горелки. 3 – пережим (за счѐт него ашл ≈ 15%). 4 – камера охлаждения (здесь сгорают оставшиеся 10%). 5 – под. 6 – летка. 7 – шлакоприѐмное устройство (ШПУ). I – зона расплавленного шлака. II – зона вязкого размягчѐнного состояния. III – зона гранулированных частиц. Показатели работы: Т АШ p q v = 0,2÷25 МВт/м3, q6 ≈ 1% (высокая ашл и высокая tшл). т = 1,15, q3 = 0÷0,3%, q4 = 2÷4%, Применяют при сжигании углей с низким выходом летучих веществ (Vг < 15% напр. Т, АШ). Организация сжигания жидкого топлива. Мазут горит в паровой фазе, поэтому скорость горения определяется скоростью испарения топлива: Для повышения скорости горения необходимо распыление топлива на мелкие капли < 500 мкм. Распыление осуществляется форсунками и проводится в две стадии: 1 – распад струи за счѐт собственных колебаний на крупные капли, dк1 ~ 1/Wструи. 2 – дробление крупных каплей на мелкие. F Pвнеш = внутр – внешнее давление, где S – поперечное сечение S капли. 4 Pвнутр = – внутренне давление, где ζ – поверхностное dк натяжение капли. Если Рвнеш > Рвнутр => происходит дробление капли. 8 . Для уменьшения dк необходимо: d кmax Wв ) 2 в ( Wк 1) увеличивать ( Wотн ) ( Wк Wв ) . 2) уменьшать поверхностное натяжение нагревом. При кипении ζ = 0. 61 Паровые форсунки. Позиции: 1 – сопло. 2 – корпус. tм ≈ 100ºС, ВУ ≈ 5º, Достоинства: 1) качественное распыление на мелкие капли. 2) широкий диапазон регулирования 25%÷100%. Недостатки: G 1) высокий расход пара п = 0,3÷0,4 кг/кг. Bм 2) высокие потери q2 (↑ VH 2O ). Применяют при растопке пылеугольных топок. dк ~ 1/Wпар. Механические центробежные форсунки. Позиции: 1 – распределитель. 2 – завихритель. 3 – шайба (выходная). Рм = 15÷35 ат, tм = 120÷130ºС, ВУ ≤ 2,5º. 1 . Pм0,5 При снижении нагрузки Вф = k∙∆Рф → ↓Рм. При В < 60% от Вном, когда Рм < 12 ат. → ↑↑dк, то есть заметно возрастает размер капель и в связи с этим возрастают q3 и q4. Поэтому глубокое регулирование нагрузки осуществляется путѐм отключения части горелок: Фронтальная стенка котла В результате закручивания мазут в топку поступает в виде конической плѐнки dк ~ D = 100% – зима. D = 50% – лето. Достоинства: 1) меньше энергозатраты. 2) компактность. Недостатки: 1) узкий диапазон регулирования 60% – 100%. 2) высокие требования к очистке. Применяют при постоянном сжигании мазута. 62 Лекция №13 Комбинированные форсунки. 1) Паромеханические. Позиции: 1 – механическая форсунка. 2 – корпус. Gп кг = 0,05 . Bм кг При D = 100% – распыл механический (пар не требуется). При D < 60% – паровой + механический распылы. 2) Ротационная. Позиции: 1 – полый ствол. 2 – лопатки вентилятора. 3 – лопатки завихрителя. 4 – вращающийся конус. При вращении конуса топливо в топку поступает в виде конической плѐнки, которая распадается на капли, превращающиеся в более мелкие под влиянием воздуха. Достоинства: 1) широкий диапазон регулирования (25÷100%). 2) нетребовательность к очистке. Недостатки: 1) грубый распыл. 2) сложность конструирования и эксплуатации. Применяют при сжигании низкосортных топлив. Дисперсионные характеристики. При распылении размер капель составляет dк = 1÷800 мкм. Он зависит от: 1) типа форсунки. 2) производительности (↑Вф → ↑dсопл → ↑ d ср к ). 3) марки мазута: ВУ50, º 40 100 tзаст, ºС +10 +25 Марка М40 М100 4) давления и температуры (c ↑(tм и Pм) → ↓dк). 200 +35 М200 Зависимость доли капель от их диаметра подчиняется закону распределения вероятности: Позиции: 1 – паровая форсунка. 2 – механическая форсунка. 3 – ротационная. 63 Распределение капель по сечению горелки, также неравномерно. Эпюра плотности распределения капель (частая штриховка – крупные капли): Крупные капли выходят за пределы зоны активного горения и оказывается в области, где температура < 1000ºС, а α < 1, что повышает q3 и q4. Для эффективного сжигания необходимо интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что достигается воздушными регистрами. Организация сжигания природного газа. Подача газа: 1) Центральная. 2) Периферийная. Фрагмент коллектора: hстр. = глубина проникновения струи в воздушный поток определяется соотношением динамических напоров топлива и 0,5 Wотв г воздуха: h стр ~ d отв . Wв в При {↑dотв, ↑Wотв, ↓Wв} hстр. растѐт. Характеристики: Dотв, Wотв, Wв – принимают таким образом, чтобы исключить слияние труб и их касание амбразуры. Газомазутные горелки. Так как для газа и мазута теоретический объѐм воздуха ≈ 10 м3/кг, а Q нр = 37÷43 МДж/кг, то в этих горелках возможно раздельное сжигание того или другого топлива. 1) ГМГ–М: Позиции: 1 – мазутная форсунка. 2 – завихритель первичного воздуха ( ≈ 15%. 3 – завихритель вторичного воздуха. 4 – биконическая амбразура. При снижение нагрузки снижаются напоры газа и воздуха: Вг = 200÷800 кг/ч. т ≈ 1,1, q3 = 0,1÷1%, q4 = 0÷0,2%. 64 V1 ) ≈ Vобщ Применяют в котлах малой мощности. 2) Горелка БКЗ: Позиции: 1 – форсунка. 2 – газораспределительный коллектор. 3 – воздушный регистр. Wотв ≈ 80 м/с, Wв ≈ 40 м/с, dотв = 4÷6 мм, Вг = 400÷1500 кг/ч. Применяют в котлах средней мощности. 3) Горелка ТКЗ: Позиции: 1 – форсунка. 2 – газораспределительный коллектор. 3 – секция лопаточного аппарата. 4 – дисковый шибер (при его смещении влево/вправо регулируется расход воздуха, при сохранении степени закручивания воздушного потока). Wотв ≈ 80 м/с, 1÷6 т/ч. Wв ≈ 40 м/с, Рг = 300÷1000 кг/м2, Вг = Применяют в котлах большой мощности. Газомазутные топки. Позиции: 1 – топочные экраны. 2 – под. 3 – огнеупорное покрытие (для защиты труб от пережога при низкой D). 4 – амбразуры. 65 Расположение горелок: а) фронтальное (смещение факела к заднему экрану и пережог его труб). б) встречное (много горелок, поэтому эксплуатировать сложнее). Основная часть топлива (~ 95%) сгорает зоне горелок: Режимные характеристики: q max 0,4 0,5 МВт/м2, экр т = 1,03÷1,1. q доп экр 0,3 0,35 МВт/м3, q3 = 0÷0,5%, q4 = 0% мазут природный газ Основные характеристики паровых котлов. 1) Паропроизводительность – D т/ч, кг/с. 2) Давление перегретого пара – Рпе МПа, ат. 3) Температура перегретого пара – tпе ºС. 4) Температура питательной воды – tпв ºС. Паровые котлы классифицируют по давлению: Тип котла Рпе, МПа tпе, ºС низкого 1,3 < 250 среднего 4 450 высокого 10 510 сверхвысокого 14 545 сверхкритического 25,5 545 66 tпв ºС 102 150 215 230 260 D, т/ч 4-6-10-20-50 25-35-50-75 140-230-320 420-500-640-670 950-1600-2600-4000 Лекция №14 Схемы водопаровых трактов котла. 1) Котѐл с естественной циркуляцией: 1 – Х″ = 0,03÷0,2 кг/кг. Роп = Н∙ρ′∙g, Рпод = Н∙ρсм∙g, Sдвиж = Н∙(ρ′ – ρсм)∙g. Засчѐт Sдвиж рабочая среда циркулирует с кратностью G 1 циркуляции: k = в = 5÷30 Gп Х D Недостаток: нарушение циркуляции, когда < 40% D ном – ↓D → ↓B → ↓q → ↑X → ↓ρсм → ↓Sдвиж → ↓k. Приведѐнный недостаток является основным для барабанных котлов. 2) Котѐл с принудительной циркуляцией: ц.н. – циркуляционный насос. Sприн Sест движ движ в связи с чем: 1) снижается k до 2÷5. 2) испарительные поверхности можно выполнять в виде змеевиков. 3) надѐжная работа при низких нагрузках. Применяют в котлах утилизаторах. 3) Прямоточный котѐл: Рп.в. > Рпе, Рпе = 14÷25 МПа. Достоинство возможность работы на сверхкритических параметрах. Типы и типоразмеры паровых котлов. Е – котѐл с естественной циркуляцией. П – прямоточный котѐл. Типоразмеры: Е – 420 – 13,8 – 545 КЖ 1 2 3 4 5 1 – естественная циркуляция. 2 – паропроизводительность, т/ч. 3 – давление за перегревателем, МПа. 4 – температура перегретого пара, ºС. 5 – каменный уголь, жидкое шлакоудаление. Пп – 950 – 25,5 – 545/545 ГМ 1 2 3 4 5 1 – прямоточный с промежуточным пароперегревателем. 2 – паропроизводительность, т/ч. 3 – давление за перегревателем, МПа. 4 – тем-ра перегретого пара / тем-ра перегретого пара вторичного пароперегревателя, ºС. 5 – газомазутный. 67 Заводские типоразмеры: Т – таганрогский котельный завод: ТГМП – 1202 – таганрогский, газомазутный, прямоточный. ТГМЕ – 464 – таганрогский, газомазутный, естественная циркуляция. ТПП – 210 – таганрогский, пылеугольный, прямоточный. П – подольский машиностроительный завод: П – 57, П – 59, П – 67. БКЗ – барнаульский котельный завод: БКЗ – 75 – 39 – ФБ 1 2 3 4 1 – барнаульский котельный завод. 2 – паропроизводительность, т/ч. 3 – давление за перегревателем, МПа. 4 – фрезерный торф, бурый уголь. БелКЗ – белгородский котельный завод: Б – 50 – 40 (эквивалент Е – 50 – 40). ГМ – 50. БиКЗ – бийский котельный завод: ДКВр – 10 – 13 – водогрейный. КВ – ГМ – 50 – водогрейный, 50 Гкал/ч. Профили паровых котлов. 1) П – образный: Позиции 1 – топка. 2 – газоходы. Недостаток неравномерное заполнение топки и газоходов продуктами сгорания. 2) Т – образный: Недостаток сложность отвода уходящих газов дымососами. 3) Башенный: 68 Компоновка и тепловая схема парового котла. Взаимное расположение газоходов и поверхностей нагрева. Для произвольной поверхности: Тепловосприятие: Q = D (i B i ) = Qбал = k Уравнение теплопередачи: Qт = бр к Общее тепловосприятие: Q pp Y ). (Y t H . B n Qiб . 1 Температура стенки трубы поверхности нагрева: q ст ( t ст tо ) = q 2 (t о t р.ср. ) => t ст t р.ср . q ( ст ст ст – температура наружной стенки трубы. 3 10 3 Для чистых труб ст 0 => t ст 40 ст t р.ср . q 1 ) 2 . 2 допуст Основная задача эксплуатации сводится к тому, чтобы t ст t метал : 1) ↓tр.ср. нельзя, т.к. tр.ср. = f(Рп). 2) ↓q нельзя, т.к. при ↓q → ↑↑Н. 3) ↑α2 ~ Wр0.,ср6 . Требования к компоновке: 1) Поверхности с высокой температурой рабочей среды, размещать в месте с высокой температурой газов (↑tр.с. → ↑ г ). 2) Осуществлять противоточную схему движения (∆tпрот. > ∆tпрям.). допуст 3) Выполнять требования обусловленные надѐжностью работы металла труб (tст < t металла ). Тепловая схема котла: Гидродинамика парового котла. Для нормальной работы котла необходим надѐжный теплоотвод от поверхности нагрева к рабочей допуст среде, чтобы имело место неравенство tст < t металла . Условия охлаждения металла зависят от режима течения и структуры рабочей среды. Характеристики движения потока: Gп Массовое паросодержание: Х = кг/кг. Gп Gв 69 Массовая скорость: W G кг/(м2∙с). f Gв м/с, Wo f Приведѐнные скорости воды и пара: Wo G см м/с. f G см Скорость пароводяной смеси: Wсм Gп м/с. f Скорость циркуляции: Wo см Объѐмное паросодержание: Vп Vп Vв f Wо Wп f п Wсм f Wо С Wо (1 X( , где 1)) м/с. fп – истинное паросодержание, а f 1 – характеризует относительную скорость потоков (Wп и Wсм). Для подъѐмных труб топочных C экранов Wп > Wсм, поэтому β > . 1) с ↑Х → ↑β. 2) с ↑Р → ( → 1) → (β → Х) Режимы течения и структура рабочей среды в испарительных поверхностях нагрева. Зависит от: 1) Х. 2) q. 3) Wпотока. 4) Р а) Вертикальный испарительный участок: ↑α2 = 2÷6∙103 ↑↑α2 = 50÷100 ↑α2 ↑α2 ↓↓α2 вода 1, Х < 20% 2 3 4 1 – пузырьковый режим. dпуз ≈ 1÷2 мм. пуз = 0,34∙Р0,43∙q0,7, от обоих параметров степенная зависимость с различной 2 кривизной. с ↑Р → ↑tнас → ↓ζпуз → ↓dпуз → ↑α2. с ↑q → ↑Кол-во пузырей → ↑α2. 2 – снарядный режим. Х2 > Х1. 3 – стержневой. Х3 > 60%. 4 – эмульсионный. Х4 > 90%. 70 Лекция №15 б) Горизонтальный испарительный участок: Дополнительное скорость потока: влияние здесь оказывает При ↓W засчѐт разности плотностей воды и пара происходит расслоение смеси с захлѐстыванием верхней образующей. Это приводит к перегреву и разрыву труб в результате длительного влияния усталостных напряжений. При W < 0,5 м/с происходит перегрев и пережог верхней образующей. Для исключения пережога: D 1) > 0,4. D ном 2) защита слабонаклонных участков огнеупорным материалом (под). Особенности работы металла труб поверхностей нагрева. Поверхности нагрева работают в тяжѐлых условиях (Р = 60÷180 ат, t = 200÷600ºС). С увеличением нагрузки возрастает напряжение в металле и его относительное удлинение. С увеличением температуры металлы его прочность снижается, а пластичность возрастает: При t > 450ºС в металле возникает ползучесть, что приводит к увеличению диаметра труб и их разрыву: Поэтому при определѐнной температуре металла марку стали выбирают с учѐтом диаграммы ползучести: Скорость ползучести допустимой величины: металла пол 1 не доп пол должна 10 5 превышать %/ч, т.е. за 105 1 часов ε < 1%. Газовая коррозия труб и окалино образование. Поверхности нагрева омываются высокотемпературными газами и подвергаются газовой коррозии (окалинообразованию). При t > 500ºС З.О.П. не держится и начинается газовая коррозия. 71 Это характерно для Ст10 и Ст20. Для повышения окалиностойкости и прочности металла в него добавляют легаты. (хром (Х), молибден (Мо), ванадий (Ф), никель (Н), титан (Т), марганец (Г), кремний (С)). Х, Мо, Т – для повышения жаропрочности и окалиностойкости. Г, С – для повышения механической прочности. Марки сталей. 1) Барабаны котлов. Р < 100 ат. (15К, 20К) – низколегированная сталь, Mn < 0,9%. Р > 100 ат. (16ГНМ, 16ГС – С = 0,16%, Mn > 0,9%, Ni > 0,7%, Mo < 1%). 2) Поверхности нагрева. экономайзер, топочные экраны и перегреватель (с tпе < 400ºC) – Ст10, Ст20. перегреватель с tпе = 400÷500ºС – 12Х1МФ (С = 0,12%, Сr > 1 ≈ 1,2%, Мо ≈ 0,55%, V ≈ 0,35%). перегреватель с tпе = 545÷560ºС – высоколегированный, Х18Н12Т (С очень мало, Сr = 18%, Ni = 12%, T ≈ 0,5%). ВЗП и каркас котла (работают при Р = 1 ат. и t < 400ºС) – Ст3 (самая дешѐвая сталь). Температурный режим работы труб барабанного котла. Основная задача эксплуатации – обеспечение надѐжного теплоотвода от металла к рабочей среде доп tст < t ме . q t ст t р.с. t р .с . t – общий случай. 2 1) экономайзер: ↓ г < 400ºC → ↓q ≈ 5 кВт/(м2). ∆t1 = 1÷5ºC ↓tр.с. < 340ºC. 2 ↑α2 ≈ 2÷5 кВт/(м ∙град). 2) топочные экраны: ↓ г > 1600ºC → ↓q ≈ 200÷500 кВт/(м2). ∆t1 = 5÷15ºC ↓tр.с. < 350ºC. 2 ↑↑α2 ≈ 50÷100 кВт/(м ∙град). 3) перегреватель: ↑ г < 800ºC → ↑q ≈ 30 кВт/(м2). ∆t1 = 30÷100ºC ↓tр.с. > 400ºC. 2 ↓↓α2 < 1 кВт/(м ∙град). 72 Лекция №16 Водоподготовка. Для промышленных котельных и ТЭЦ характерны значительные потери конденсата ввиду его загрязнения и невозвращения с производств. Поэтому подпитка каналов водой составляет 0,4÷0,6 от Dном. Восполнение потерь осуществляется сырой водой из водоѐмов, в которых содержится: 1) растворѐнные соли Ca, Na, Mg, Fe, Al и других. 2) взвешенные и коллоидные частицы. 3) растворѐнные газы O2, N2, CO2 и т.д. В исходном виде сырая вода для подпитки непригодна так как: 1) соли Ca и Mg образуют накипь, которую очень трудно удалить. Накипь образуется из-за того что С К.В. Cнас соли(Ca и Mg)↓. Имеют место следующие изменения: К.В. => t ст t р .с . q ( равна t р.с. нак ст нак ст 1 ) t стчист .Ме t нак ст ; t нак ст 2 q нак ст нак ст 250 С т.е. температура стенки будет t нак = (255 + 250) = 500ºC > t стдоп => пережѐг стенок. 2) взвешенные и коллоидные частицы образуют осадок (шлам), который забивает трубную систему, нарушает циркуляцию и создаѐт аварийные режимы работы. 3) растворѐнные газы: a. вызывают газовую коррозию металла. b.ухудшают теплоотдачу. Состав воды: 1) взвесь (dтв > 0,5 мкм), удаляется отстаиванием. 2) коллоидальные частицы (dтв < 0,5 мкм) отстаиванием не удаляются. 3) растворѐнные соли Ca, Mg, Na, Fe, Al: CaCl2, MgCl2 – хорошо растворимые СаSO4, CaCO3, CaSiO2 – плохо растворимые Накипь обусловлена присутствием солей Ca и Mg, которые характеризуют жѐсткость воды: Ca 2 Mg 2 мг экв , здесь Ca 2 и Mg 2 – концентрация катионов Ca и Mg, а 20 и 16 кг 20 16 – эквивалент их масс. Общая жѐсткость воды = Жвременная + Жпостоянная Ж общ Жвременная – обусловлена присутствием в воде бикарбонатов, Жвременная = HCO 3 61 мг экв . кг Может быть устранена подогревом воды до 80ºC. Щѐлочность воды определяется присутствием NaOH, NaHCO3, Na2HCO3 и равна Щ = OH HCO 3 CO 32 . Исходный состав воды некоторых рек: Ж, мг экв кг река 3,3 4,7 5,3 Волга Дон Кама 73 Схема подготовки добавочной воды. Позиции на схеме: 1 – насос; 2 – теплообменник; 3 – осветлитель; 4, 5, 6 – дозаторы коагулянта, соды и извести; 7 – бак; 8 – механический фильтр; 9 – катионовый фильтры; Этапы: 1) Коагуляция – взвешенные частицы слипаются в хлопья, выпадающие в осадок: Al2(SO4)3 → Al+3 + SO4–2 Происходит гидролиз алюминия, который протекает ступенчато: Al+3 + HOH → AlOH+2 + H+ AlOH+2 + HOH → AlOH2+ + H+ 2) Параллельно коагуляции в осветлителе 3 проводят известково-содовую обработку. Сода: Na2CO3 → Na+ + CO3–2 Известь: Ca+2 + CO3–2 → Ca+2 + OH– Ca+2 + CO3–2 → CaCO3↓ Mg+2 + 2OH → Mg(OH)2↓ 3) В фильтре 8 происходит задержание остатков осадков при прохождении воды через слой песка или антрацита. 4) Умягчение проводят в катионитовых фильтрах 9. Диаметр частиц ионитового материала d ≈ 1 мм. Диаметр фильтра D = 1÷3 м. Высота фильтра Н = 3÷6 м. Скорость фильтрации wфильтр = 3÷7 см/с. Виды катионитовых установок: а) Na – катионирование: Na2R + Ca(HCO3) → CaR + NaHCO3, здесь R – катионический радикал. Na2R + CaCl2 → CaR + NaCl, Na2R + CaSO4 → CaR + NaSO4, Na2R + CaSiO3 → CaR + NaSiO3, аналогичные реакции происходят с солями Mg. CaR и MgR остаются в фильтре. 74 Cо временем фильтр истощается и его ставят на регенерацию 5% раствором NaCl: CaR + NaCl → NaR2 + CaCl2 MgR + NaCl → NaR2 + MgCl2 MgCl2 и CaCl2 отводятся. б) Н – катионирование HR + Ca(HCO3)2 → CaR2 + H2CO3, H2CO3 → H2O + CO2 HR + CaCl2 → CaR2 + HCl HR + CaSO4 → CaR2 + H2SO4 HR + CaSiO3 → CaR2 + H2SiO3, H2CO3 → H2O + CO2, аналогичные реакции происходят с солями Mg. Недостатки: растворение в воде СО2 и присутствие кислот. Регенерацию осуществляют 1% раствором Н2SO4: CaR2 + H2SO4 → HR + CaSO4 аналогично с Mg. Схемы катионовых установок. 1) Параллельное (H–Na) катионирование: Позиции: 1, 2 – катионитовые фильтры, 3 – декарбонизатор (удаляет CO2), 4 – барьерный фильтр (для исключения проскока кислот Na2R + H2SO4 → H2R + Na2SO4). min Минимальное солесодержание перед барьерным фильтром C CO ≈ 3 мг/л. 2 Остаточная жѐсткость умягчѐнной воды Жост ≈ 0,01 мг экв . кг 2) Последовательное (H–Na) катионирование: min Минимальное солесодержание перед барьерным фильтром C CO ≈ 3 мг/л. 2 75 Деаэрация воды. В воде возможно присутствие О2 и СО2, что: 1) ухудшает теплоотдачу. 2) ведѐт к внутренней газовой коррозии. Виды деаэрации: 1) Термическая деаэрация. Закон Генри: СГ = Ка∙РГ, здесь СГ – концентрация газов в растворе, Ка – константа адсорбции. t↑ → CU↓ и при t = tкип → СГ = 0. Схема деаэратора атмосферного типа: вода падает вниз в виде дождя. Р = 1,2 ат, tк = 104ºС 2) Химическая деаэрация. Гидразин N2H4 + O2 → N2 + H2O Аммиак NH4OH + H2CO3 → NH4∙CO3 + H2 После термического деаэратора вода поступает в экономайзер: 76 Гидродинамика контура естественной циркуляции. Позиции: 1 – необогреваемые опускные трубы (ρ'). 2 – подъѐмные трубы (ρсм). Движущий напор Sдв = Нсм∙g∙(ρ' – ρсм) Если ρсм = ρ'∙(1 – θср) + ρ''∙θср, то: Sдв = (H – Hэк)∙g∙θср∙(ρ' – ρ'') Sдв растѐт при: 1) H↑ 2) (tн – tэк'')↓ 3) q↑ 4) P↓ → ↑(ρ' – ρ'') Движущий напор расходуется на преодоление сопротивления опускных и подъѐмных труб. Sпол = Sдв – ∆Рпод тогда основное уравнение циркуляции Sдв = ∆Рпод Контур естественной циркуляции: 1) простой. 2) сложный. Рассмотрим подробнее. Простой контур естественной циркуляции. Схема приведена ниже. Wo = G см – скорость циркуляции. f под n Sпол = Sдв – ∆Рпод = Sдв – под 1 n ∆Рпод = оп 1 Woп2 2 n Wo2 2 [1 x ср ( W f под оп 1 По Woдейств определяется Gводы => k f оп 1 1)] ; 2 2 ; Gв 1 → →Х . Gп Х 77 Сложный контур естественной циркуляции. В трубах с Wmin засчѐт ухудшения произойдѐт перегрев и пережог трубы. 78 теплоотдачи Надѐжность режимов циркуляции. Зависит от неравномерности обогрева труб данного топочного экрана. 1 – хорошо обогреваемые трубы. 2 – затенѐнные трубы. 3 – плохо обогреваемые (загрязнены). Отдельные трубы ввиду затенѐнности воспринимают тепла меньше, чем основные: или загрязнения с ↓q → ↑ρсм → ↓Sдв → Wo → ↓k ≈ 2 → ↑X'' до 50% → ↑tст. q1 > q2 > q3 W зависит от: 1) расположения труб в экране. 1 – чистые трубы. 2 – загрязнѐнные трубы. 2) паропроизводительности. 1 – средние. 2 – промежуточные. 3 – угловые. 79 3) давления. 80 Лекция №17 Полная гидравлическая характеристика К.Е.Ц. и оценка надѐжности режимов. Аварийные режимы: 1) Застой циркуляции при вводе подъѐмных труб в водяной объѐм. п 2 << п в 2 → ↑↑tст → пережог. 2) Свободный уровень при вводе подъѐмных труб в паровом объѐме (расслоение пароводяной смеси). Пережог труб происходит по тем же причинам. 3) Опрокидывание циркуляции Wo < 0. Sдв = H∙g∙(ρ' – ρсм). Wo = 0, Smax дв H g ( ) 1 – область подпитки контура водой при еѐ упаривании. Полезный напор Sпол = Sдв ± ∆Pпод ∆Pпод = ∆Pг = ∆Pтр + ∆Pмест Вероятность возникновения аварийных режимов зависит от давления: а) Низкое давление – Wo 81 заст т.к. Sопрок > Sпол , то при низком давлении наиболее вероятен режим застоя циркуляции. пол б) Высокое давление с ↑P → ↑t → ↓ζпузырь → ↓dпуз → ↓Wотн = Wв – Wп Более вероятно опрокидывание циркуляции. Для надѐжности циркуляции необходимо: заст Sпол раб Sпов 1,1 , S опр пол р S пол 1,1 , Woраб 3 4Womin > 0,5 м/с. Меры борьбы с авариями. 1) Раздельные экраны: 2) Трубы из углов топки удаляют: 3) для того чтобы снизить ∆Pоп ограничивают dоп = 100 – 160 мм. f под f оп 4) Своевременная расшлаковка (чистка). Причины парообразования в опускных трубах. 1) Захват пара из парового или водяного пространства. 2) Кавитация 82 3 4. Wоп2 2 ∆Рст = hур∙g∙ρ' = ab, ∆Рдин + ∆Рвх = (1 + ξвх) bc , при ∆Рст < ∆Рдин + ∆Рвх – кавитация. Поэтому условие отсутствия кавитации hур ≥ (1 + ξвх) Wоп2 ; 2 Дополнительные ограничения: 1) hур = 0,5 м. 2) Wоп < 2,5 м/с. 3) медленное изменение нагрузки при переменных Pб 0,05 МПа D 2%D н режимах: при . мин мин Тепловая и гидравлическая неравномерность в поверхностях нагрузки. Гидравлическая неравномерность обусловлена: 1) различной длиной и формой труб. 2) Характером подвода/отвода рабочей среды. 3) Гидравлической нестабильностью потока. Неравномерность тепловосприятия обусловлена: 1) Неодинаковым обогревом труб. 2) Неодинаковым загрязнением труб. Коэффициенты характеризующие неравномерности: т гидравлической неравномерности ρг = . эл неравномерности тепловосприятия конструктивной нетождественности qт . q эл т k Hт H эл 1. qтHт тепловой развѐртки q iт i эл iт i вых т i вх q эл H эл т – т.е. тепловая разверка по ширине г эл секции зависит от тепловой и гидравлической неравномерности, при этом в отдельных трубах при ωρmin (ρг< 1) и qmax(ηт > 1) имеет место ρг >> 1 → ↑↑tp. средн. → ↑↑tст. = tр. ср. + ∆t, а этого не должно быть, поэтому qдопустимая = 1,9(ЭКО) – 1,3(Топ. экраны) – 1,15(Пе). Влияние способов подвода и отвода рабочей среды на гидравлическую характеристику секции. 1) Z – образная схема: 83 так как полный напор ∆Рполн = ∆Рст. + ∆Рдин = const => ↓∆Рдин → ↑∆Рст Pлев Pствх Pэл Pствых , Pправ Pэл 0 , т.к. w р.ср . ~ D ~ Pст0,5 . 2) П – образная схема: Pправ Pлев Pствх Pэл 0 , ширине более равномерное. Pэл Pствых , т.к. Pлев Pправ то распределение среды по Для устранения гидравлической неравномерности повышают количество отводов и подводов рабочей среды к коллекторам: При двух подводах wкол уменьшается в 4 раза → ∆Рст уменьшается в 16 раз. 84 Водный режим работы паровых котлов. Мероприятия по предотвращению отложений в водопаровом тракте. С питательной водой в котѐл поступают растворѐнные соли, которые накапливаются в котловой воде и частично переходят в пар. Причины перехода солей из котловой воды в пар: 1) унос паром капельной влаги ω = m кап 100% . m кап m пара 2) растворимость солей в паре (коэффициент растворимости kр); Сn = 0,01∙(ω + kp)∙Ск.в. мг . кг Капельный унос. Обусловлен разрушением пузырей на поверхности слоя в барабане: Eζ + Eпов. нат. = Екап. Крупные капли возвращаются в слой, а мелкие уносятся паром в пароперегреватель и испаряются в внутри змеевиков. Это приводит к отложению растворѐнных в них веществ с последующим пережогом труб. 85 Лекция №18 Факторы, влияющие на капельный унос: 1) Паропроизводительность котла ω = А∙Dn n = f(D). энергия 2) Давление в барабане. ↑ P → ↑ E пара . 3) Высота парового пространства 4) Солесодержание котловой воды (↑Ск.в. → ↑ζпуз → ↑δплѐнки → ↑hпены → ↓hп → ω↓). Меры борьбы с капельным уносом. 1) Гашение энергии струй пароводяной смеси. Достигается: а) засчѐт равномерного распределения подъѐмных труб по длине барабана. б) установкой дырчатых щитов: dотв = 5÷10 мм. 2) Отделение капельной влаги. Достигается засчѐт: а) гравитационной сепарации в 600 п б) инерционной сепарации б.1) пароприѐмные щиты. б.2) жалюзийные сепараторы. б.3) отбойные щитки. б.4) внутрибарабанные циклоны. 86 б.5) Выносной циклон. Устанавливают в последнюю ступень испарении с max солесодержанием котловой воды. Избирательный унос солей с паром. Пар и вода имеют одну химическую природу. Поэтому при высоком давлении пар также хорошо растворяет вещества, как и вода. Коэффициент распределения веществ между паром и водой: n Сп k распр f (Pn ) , С к .в . химического соединения: где n зависит от природы Растворимость в пару это вредное явление. Разберѐм на примере H2SiO3. При высоком давлении H2SiO3 (H2SiO3 → H2O + SiO2) растворяется в паре, а в проточной части турбины, где давление падает до Р < 7 МПа, SiO2 выпадает в осадок ввиду ухудшения растворимости. При этом ухудшаются показатели турбины, что требует еѐ останова: Основной метод борьбы – это контакт пара с питательной водой: Сn = kp∙Cк.в. >> Сn = kp∙Cп.в. Это достигается барботажной промывкой пара. 87 Водный режим работы барабанных котлов (организация безнакипного режима). С питательной водой в котѐл поступают растворѐнные соли, которые при кипении накапливаются в ней. Если Ск.в. > Ск.в.нак → соли Ca и Mg будут образовывать накипь на поверхности экранных труб (↑↑tстенки → разрыв), поэтому необходимо, чтобы всегда имело место неравенство Ск.в. < Ск.в.нак, что достигается: 1) непрерывной продувкой (постоянный отвод части котловой воды с солями из системы). 2) периодической продувкой через 10–12 ч. из нижних коллекторов экранов отводится щлам. D пр Процент продувки P 100% 1 10% , величину Р определяют из солевого баланса: D C п .в . C п . Dп.в.∙Сп.в. = Сn∙Dn + Cпр∙Dпр P 100% Dп.в. = Dn + Dпр. C пр C п.в. Недостаток продувки: потери теплоты с продувочной водой (↓∆ηк ≈ 0,5%) Пути снижения Р: 1) ↓Сп.в. (на химводоочистке). 2) Вывод продувочной воды с максимальным солесодержанием. Схема одноступенчатого испарения Схема двухступенчатого испарения: 1 – первая ступень испарения (чистый отсек). 2 – вторая ступень испарения (солевой отсек). Схема испарения: трѐхступенчатого 3 – третья ступень (выносной циклон). 88 испарения Достоинства многоступенчатого испарения: Повышается экономичность котла. Повышается чистота пара. Коррекционный метод обработки котловой воды. Заключается в подаче в барабан тринатрийфосфата. Обработка проводится в щелочной среде в результате чего образуется легкоподвижный неприкипающий шлам, который выводится из экранов периодической продувкой. CaSO + Na3PO4 + NaOH → Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 + Na2SO4 MgSO4 – аналогично. Парообразующие поверхности барабанных котлов. r2 < r1 P2 > P1 Удельное тепловосприятие поверхности qпов = Q пов 100% Q1 i пов . i п .е . i п .в . ↑Р → ↓r → ↓∆iисп → ↑∆iпов → ↓qисп, т.е. с увеличением Р роль испарительных поверхностей в котле снижается, а перегревательных и экономайзерных возрастает. а) Котѐл низкого давления (Р =1,3 МПа). qисп ≈ 65% > q топ луч ≈ 50%. Для парообразования в этих условиях одних экранов недостаточно, необходимо использование дополнительных конвективных испарительных поверхностей (котельный пучок): ДкВр – 10 – 13 б) Котѐл среднего давления (Р = 4 МПа). Так как qисп ≈ 60% > q топ луч ≈ 50%, то часть теплоты необходимой для парообразования передают в выходную ступень экономайзера, при этом 89 экономайзер становиться кипящим: в) Котѐл высокого давления (Р = 10÷14 МПа). qисп ≈ 40÷50% ≈ q топ луч . Для выработки пара достаточно использовать только топочные экраны и экономайзер не кипящего типа: 90 Лекция №19 Топочные экраны. Это секции из параллельно включѐнных труб, покрывающих стены топки. Типы экранов: 1) Гладкотрубный: d × δ = 60 × 3 мм. В России обычно используют сталь Сm 20. Применяют в котлах малой и средней мощности. 2) Шиповой: К трубам привариваются (перпендикулярно осям) прутки (шипы dш = 10 мм, hш = 25 мм). Применяют в топках с жидким шлакоудалением для ускорения воспламенения топлива и улучшения вывода шлака в чистом виде. 3) Газоплотный (из плавиковых труб): Такие экраны непроницаемы для газов (∆α = 0). Преимущества: повышается тепловосприятие экранов и отсутствуют присосы в топку. Пароперегреватель. Служат для нагрева пара от температуры насыщения до требуемой температуры (tн = 200÷340ºС, tпе = 440÷545ºС). Перегрев необходим по следующим причинам: 1) Повышается КПД теплоэнергетической установки в целом и, как следствие, снижается расход топлива. 2) Повышается надѐжность работы турбины в связи с повышением степени влажности пара на выходе: 91 Конвективный пароперегреватель Прямоточная схема: dтр = 32 – 38 – 42 мм. δст = 3 – 5 мм. ∆tпрям = min => Hпрям = max. Противоточная схема: ∆tпрот = max => Hпрот = min. Недостаток: пережог выходных петель (tст = tп + q 2 петли получают tст↑↑ = tп↑ + q ↑ → разрыв). 2 Недостатки предыдущих схем устраняет смешанная схема движения: Для снижения тепловой разверки пароперегреватель делят на секции и осуществляют переброс пара: Для повышения компактности уплотняют и сдваивают: змеевики 92 => 1-ые 0,6 Для защиты от пережога необходима высокая скорость пара: ↑Wп ≈ 25 м/с т.к. α2↑(↓ t пе ст )~ Wп . Если tпе < 400ºC используют Ст20. При tпе = 410÷510ºС → 12Х1МФ. Недостатки конвективного пароперегревателя: ↑∆Рп ≈ 10% Рб. Высокое сопротивление прохода по газам. Радиационный пароперегреватель. с ↑Рпара → ↑qисп и ↓qпе => c ростом Р роль пароперегревающих поверхностей в котле растѐт и в топке вместо части экранов устанавливают радиационный перегреватель. а) Рп < 10 МПа б) Рп ≥ 14 МПа Для снижения tcт: Радиационный перегреватель расхолаживают холодным насыщенным паром. Скорость пара ~ 35 м/с. Достоинства: ∆Рп < 0,3 МПа. ∆Рг = 0 Ширмовый перегреватель. Достоинства: Высокое тепловосприятие ↑q ≈ 60% q общ пе . Снижается шлаковка перегревателя. 93 Общая компоновка перегревателя. Зависит от выходного давления пара. а) Р = 4 МПа, tпе = 440ºС, qпе ≈ 20% б) Р = 10 МПа, tпе = 510ºС, qпе ≈ 30% Факторы, влияющие на tпе. tпе зависит: 1) от D: а) конвективный: б) радиационный: ↑D → ↑В → но Tфmax ≈ const (Тф = f( Q нр )) → Qл ~ Tф4 ≈ const → ↓ Qл → ↓tпе. D в) комбинированный. 2) от tп.в.: при ↓tп.в. необходимо увеличивать В (для догрева воды до tнас) →Vг → ↑ Wгпе → ↑kпе → → ↑tпе. 3) от αт (коэффициент избытка воздуха): ↑αт → ↑Vг → ↑ Wгпе → ↑tпе. 4) от Wp: ↑ Wp → ↑ VH 2O → ↑Vг → ↑Wпе → ↑tпе. 5) от ψэкр (загрязнения): ↓ψэкр → ↓Qл → ↑ т →↑ пе → ↑∆tпе → ↑tпе. 6) от загрязнения перегревателя: ↓ψпе → ↓Qпе → ↓tпе. 94 По правилам технической эксплуатации tпе = t ном пе 5 C. Паровое регулирование tпе (пароохладителями). пароохладители устанавливают: а) за перегревателем (пережог выходных петель). б) до перегревателя (высокая инерционность). в) в рассечку (устраняет недостатки предыдущих схем включения). Поверхностный пароохладитель. Схема включения в перегреватель: i эк = iп.в. + iп , о i п = 10÷20 ккал/кг. о Их выполняют сдвоенными и за пределами газохода. Недостаток: высокая инерционность. Применяют в котлах малой и средней мощности. 95 Лекция №20 Впрыскивающий пароохладитель. 1 – коллектор. 2 – распылитель. 3 – «рубашка» (тонкостенный цилиндр для защиты коллектора от образования трещин). dk ≈ 0,3 м, lk = 6÷8 м. Засчѐт расхода части теплоты на нагрев и испарение капель, температура пара снижается. КУ – конденсационная установка. РК – регулировочный клапан. Достоинство: малая инерционность. Применяют в котлах малой мощности. Газовое регулирование tпе. Осуществляется засчѐт изменения степени расхолаживания газов. 1) Бойпасирование газов. а) через холостой газоход. при ↓Vг → ↓ Wгпе → ↓kпе → ↓Qпе → ↓tпе. б) через газоход с поверхностями. 2) Рециркуляция продуктов сгорания. ДРГ – дымосос рециркуляции газов. В r Vрец Vух 96 точке ввода газов: рец г без рец г 1 r , 5÷25% – доля рециркуляционных газов. где а) рециркуляция в низ топки. ↑rниз → ↓ ф → ↓Qп ~ T4 → ↑ т →↑ пе → ↑∆tпе ↑rниз → ↑Vг = Vг + Vрец → ↑ W гпе → ↑kпе ↑tпе Применяют при пониженных нагрузках котла. б) рециркуляция в верх топки. ↑rверх → ↓ т → ↓ пе → ↓∆tпе → ↓ Qпе → ↓tпе Применяют: при повышенной нагрузке котла (0,9÷1)Dном. для снижения шлакования поверхностей на выходе из топки. 3) Поворотными горелками. +15º → ↓ηпребывания газов → ↓Qл → ↑ -15º → ↑ηпребывания газов → ↑Qл → ↓ т т →↑ →↓ пе пе → ↑tпе. → ↓tпе. Недостаток: изменение q4. 4) Переключение ярусов горелок. ↓ т →↓ пе → ↓tпе. ↑ т →↑ пе → ↑tпе. Недостаток: повышение числа горелок. Пуск барабанного котла в работу. При пуске в результате неравномерного прогрева металла в поверхностях дополнительно возникают термические напряжения: ζt = εt∙Еt∙∆t εt – коэффициент линейного расширения. Еt – модуль упругости стали. ∆t = C 2 ст 2а t . ζt растѐт с ростом 2 ст и . Поэтому растопку ведут медленно и осторожно, чтобы скорость и термическое напряжение не превышало допустимых. t , t доп 97 t доп t . Пусковая схема. РКНП – регулировочный клапан непрерывной продувки. В – воздушник. рец. – линия рециркуляции. – дренажи. ПП – продувка пароперегревателя. ГПЗ – главная паровая задвижка. СП – соединительный паропровод. РР – растопочный расширитель. РРОУ – растопочная редукционно-охладительная установка. К.С.Н. – коллектор собственных нужд. К.О.П. – коллектор острого пара. РПК – регулировочный питательный клапан. РУ – растопочный узел. ПМ – питательная магистраль. Последовательность пуска. 1. Внешний осмотр (поверхности нагрева, обмуровка, горелки, предохранительные клапаны, водоуказательные устройства, регулирующие органы, вентилятор и дымосос). 2. Закрывают дренажи. Открывают воздушник и продувку пароперегревателя. 3. Через нижние точки котел заполняют деаэрированной водой с температурой, соответствующей условию: t в t бар 40 C (↓ζt). ст 98 4. Время заполнения 1–1,5 ч. Заполнение заканчивается, когда вода закрывает опускные трубы. При заполнении следят, чтобы t t верх t ниж ст ст < 40ºC. 5. Включают дымосос и вентилятор и вентилируют топку и газоходы 10-15 мин. 6. Устанавливают разряжение на выходе из топки S т B раст 0,1 Bном . 1 кг/м2, устанавливают расход 7. Выделившаяся при сжигании топлива теплота расходуется на нагрев поверхностей нагрева, обмуровки, воды, на парообразование. С увеличением продолжительности растопки ↑Qпарообр. и ↓Qнагр. 8. При появлении пара из воздушников, их закрывают. Расхолаживание пароперегревателя производят растопочным паром, выпуская его через ПП. Сопротивление продувочной линии ~ D п2 → ↑Pб. 9. При Р = 0,3 МПа продувают нижние точки экранов и воздухоуказательные. При Р = 0,5 МПа, закрывают ПП, открывают ГПЗ–1 и прогревают СП, выпуская пар через растопочный расширитель. 10. Периодически подпитывают барабан водой и контролируют уровень воды. 11. Увеличивают расход топлива. t 1 1,5 ºС/мин. 12. При Р = 1,1 МПа включают непрерывную продувку и используют линию рециркуляции (для защиты ЭКО от пережога). 13. При Р = 1,4 МПа закрывают растопочный расширитель и открывают растопочные редукционно-охладительные установки. Увеличивают расход топлива. 14. При Р = Рном – 0,1 МПа и tп = tном – 5ºС проверяют качество пара, увеличивают нагрузку до 40%, открывают ГПЗ-2 и включают котел в коллектор острого пара. 15. Включают подачу основного топлива и увеличивают нагрузку до номинальной. 16. Переходят на питание котла через регулирующий питательный клапан и полностью загружают пароохладитель. 17. Включают автоматику. Плановый останов котла. 1. Плавно снижают нагрузку до 40%, о чѐм заблаговременно предупреждают потребителя. 2. Котѐл подпитывают водой до предельного еѐ уровня в барабане. 3. Прекращают подачу топлива. 99 4. 5. 6. 7. Вентилируют топку и газоходы 15 мин. Закрывают ГПЗ-2 и открывают РРОУ. Производят продувку котла через дренажи. Через 8–15 часов продувку повторяют. 8. Периодически подпитывают котѐл водой при скорости расхолаживания t 0,3 ºС/мин. 9. При t = 50ºС и Р ≈ 1 ат. котѐл опорожняют через дренажи. Компоновка низкотемпературных поверхностей нагрева (ЭКО и ВЗП). Задачи компоновки: 1) Нагрев среды до требуемых t эк и t гв 2) Эффективность теплообмена k = max. 3) Надѐжность металла. к – коэффициент коррозии. Так как t взп ст t вп q , то t вп нужно принять такой, чтобы к была минимальна. 2 Меры борьбы с коррозией: 1) Рециркуляция горячего воздуха: 1 – вентилятор. 2 – линия рециркуляции. Доля рециркуляции t вп составляет Wп составляет При сжигании мазута t вп составляет 30 Sр составляет 0,5 Недостатки рециркуляции: при ↑ t вп → ↑ ух → ↓ q 2 . 60 1 энергозатраты на вентилятор. 2) Паровой калорифер: 100 30 2 100 ºС, 3 %. Vрец рец t вп t хв Vв t г.в. t вп 45 60 ºС, 4 6 %. 0,05 0,2 . 3) Снижение коэффициента избытка воздуха до минимума: 4) Применение стеклянных труб и эмалированных покрытий. 101 Лекция №21 Экономайзер. а) Одноступенчатая компоновка: Своды >> Спр.сгорания Q = С∙V(t″ – t′) => вода нагревается в меньшей мере, чем охлаждаются газы и ∆tвзп по ходу воздуха↓. min max 50 C , то t гв 350 Так как t вых 50 300 C . Применяют при сжигании газа, мазута, сухих высокореакционных (Vг>25%) углей. б) Двухступенчатая компоновка: Для повышения 420 600 доп 510 С t ме (Сm3) 2 Для защиты ВЗП-2 от пережога устанавливают ЭКО – 2. Применяют при сжигании высоковлажных топлив (БУ, торф) и низкореакционных углей АШ и Т (Vг < < 15%). t стВЗП Водяные экономайзеры. Служат для: 1) Нагрева воды до температуры = t эк t нас . 2) Для снижения q 2 . Тепловосприятие Q эко (10 20)%Q pp . Удельное тепловосприятие: с ростом Рн → ↑tп.воды. 102 2 Эконмайзеры: 1) некипящий t эк t н , x 0 2) кипящий t эк t н , x 20% . Чугунный ребристый экономайзер. Достоинство: стойкость к кислородной и газовой коррозии. Недостатки: Громоздкость (↓kэко < 15). Забивание эко частицами золы. Применяют в котлах малой мощности. Стальные гладко трубные экономайзеры. dнар = 28÷32 мм. Сm20. δст ≈ 3 мм. D эк (i эк i эк ) . В Шахматная компоновка экономайзера обусловлена увеличением коэффициента теплопередачи по сравнению с коридорной. В котлах большой мощности экономайзер выполняют двухпоточным: 0,5 Dп.в. → ↓∆Рэк в 4 раза ~ Wв2 Скорость воды: а) кипящий. Wв > 1 м/с (для предотвращения расслоения пароводяной смеси, что ведѐт к пережогу труб). б) некипящий. Тепловосприятие экономайзера: Q эк 103 Wв > 0,5 м/с (для смыва пузырьков газа потоком). Скорость газов: Wр желательно повышать по следующим причинам: ↑Wг → ↓ε → ↑kэко → ↑Qэко → ↓Hэко. ↑Wг → ↑αk → ↑ Wг0 , 6 → ↑kэко → ↑Qэко → ↓Hэко. Однако с повышением скорости газов растѐт ∆Рг ~ Wг2 и возникает абразивный износ труб золовыми частицами. Износ по периметру трубы неравномерен и подчиняется примерно следующей зависимости: δmax = f(Ap, aун, азол, Wг3 ). Wгдопуст . = 9 – 14 м/с многозольные малозольные. Для защиты труб от износа их покрывают накладками: После экономайзера вода направляется в барабан котла. Применяют в котлах средней и большой мощности. Воздухоподогреватель. Служат для: 1) нагрева воздуха до tг.в. = 180÷420ºС. 2) снижения q2. Тепловосприятие: Q взп (7 15)%Q pp . Воздух подогревают для: 1) сушки топлива при размоле. 2) ускорения воспламенения и повышения полноты сгорания топлива. Трубчатый ВЗП. d×δ = 40×1,5 мм Сm3. Позиции: 1 – опорная рама. 2 – трубы. 3 – трубные доски. 4 – линзовое уплотнение (для исключения присосов и компенсации линейных удлинений при нестационарных режимах работы). 104 В котлах большой мощности ВЗП выполняют двухпоточным: Скорость газов: Wг = 8÷12 м/с. Если Wг выше, то ∆Рг↑ и ускоряется износ труб. Если Wг ниже, то растѐт загрязнение и уменьшается kвзп. Скорость воздуха: Wв = 0,5∙Wг в этом случае kвзп максимален. Достоинства: возможность нагрева до tг.в. = 420ºС. низкие значения присосов ∆αвзп < 0,06. Недостаток: громоздкий (засчѐт низкого k <20 Q растѐт взп ). Vвзп Регенерационный вращающийся ВЗП. Позиции: 1 – вал ротора. 2 – набивка ротора (стальные листы). При вращении ротора в его левой части аккумулируется теплота, которая в правой части передаѐтся нагреваемому воздуху. Достоинства: м2 компактность 250 3 . м возможность размещения за пределами котла. Недостатки: низкая температура горячего воздуха tг.в. < 350ºС. высокие присосы ∆αвзп ≈ 0,2. Применяют на газомазутных ТЭС. Низкотемпературная коррозия ВЗП. В продуктах сгорания содержатся водяные пары температура точки росы которых зависит от их VH 2O t Hp 2O , то H2O парциального давления: t Hp2O f ( ) f ( W p , ух ) 40 65 С . Если t взп ст Vсух.т. VH 2O конденсируется, при этом плѐнка воды способствует доставке кислорода (Fe + O2 → Fe2O3). Присутствие серы в топливе повышает температуру точки росы (S + O2 → SO2 и ~5% SO2 взаимодействует с кислородом SO2 + O → SO3 (при t > 1300ºC) → SO3 + H2O → H2SO4↑, но если t взп t Hp 2SO4 120 160 C , то будет сернокислотная коррозия Fe + H2SO4 → Fe2(SO4) + ↑H2). ст t Hp 2SO4 f (S p ) H 2SO4 p H 2SO4 p t t 105 f (SO 3 ) ts Лекция №22 Переменный режим работы парового котла. При D1 = Dном и В1 тепловосприятие котла D1(iпе – iп.в.) = В1∙ Q pp ∙ηк = Q1рад Q1конв . Q 1рад и Q1конв – радиационное и конвективное тепловосприятия. При росте D2 до Dном → В2 > В1 и возрастает тепловыделение. Особенности: Q нр Q в Q нр 1) с увеличением D → ↑ a ≈ tв С г Vг C г Vг (с ↑D → ↑В → ↑Vг → ↑ Wгвзп → ↑kвзп → ↑Qвзп). 2) возрастает температура газов за топкой: так как Qл ≈ θ∙( J o J т ) = const, то с ↑ J a → ↑ J т → ↑ т . 3) так как с ↑D → ↑В → {Qтепл ~ B∙Vг и Qотд ~ (B∙Vг)0,6 }→ возрастают все температуры по ходу газов. Возрастает Qk засчѐт Qконв: Тепловосприятие всех поверхностей возрастает, так как возрастают k и ∆t: 106 Возрастают все температуры рабочей среды: Изменение топочных потерь и КПД: Рабочий диапазон нагрузок котла. Dmin÷Dmax. Dmin ограничивается: 1) устойчивостью топочного процесса (без пульсации факела). 2) надѐжностью гидродинамического режима. 3) надѐжностью шлакоудаления. Dmin = 0,4∙Dн – природный газ, мазут, твѐрдое топливо (топки с твѐрдым шлакоудалением). Dmin = 0,7∙Dн – твѐрдое топливо (топки с жидким шлакоудалением). Dmax ограничивается: 1) шлакованием поверхностей на выходе из топки. 2) тепловой нагрузкой топочных экранов. 3) температурным режимом работы труб пароперегревателя. 4) влажностью пара поступающего из барабана в перегреватель. На практике Dmax = Dном. Водогрейные котлы. Они отпускают потребителю горячую сетевую воду для отопления и горячего водоснабжения. Температура сетевой воды зависит от температуры наружного воздуха. tс.в. = f(tнар.в.) Нагрузка водогрейных котлов. Qв.к. = 4÷180 Гкал/ч. Они работают по прямоточному принципу, кратность циркуляции равна 1. 107 Котѐл ПТВМ – 50 (100). Qв.к. = 50 (100) Гкал/ч, 200 250 С . ух Wв ≈ 1,5 м/с, т 1,1 , ηк = 82 – 85 % мазут прир. газ Теплопроизводительность регулируют изменением расхода топлива при постоянном Gс.в. = = 1200÷2400 т/ч, Q = 50÷100 Гкал/ч. Котѐл КВ – ГМ – 100. т 1,05 , ηк = 92÷93%. 108 Котлы производственно-технологических установок. Работают засчѐт теплоты уходящих продуктов сгорания. Радиационно-конвективный котѐл: Используют теплоту газов медеплавильных печей. При наличии в газах горючих компонентов их предварительно дожигают: 1 – стабилизатор горения. 2 – отвод конденсата H2SO4. Котлы утилизаторы. Для повышения трубы: компактности ореб k 109 применяют глад k 2 оребрѐнные q1 + q2 + q5 = 100%/ D (i пе i пв ) КПД: ηк = . В Jг Jг Коэффициент утилизации теплоты: ηутил = Jг Q Коэффициент использования теплоты газов: 110 10 40% . р н г ух г t х .в . 0,4 0,6 .