Вибір і розрахункові характеристики топок для спалювання вугільного пилу

Тверде паливо у вигляді вугільного пилу рекомендується використовувати для котлів паропродуктивністю більше 7 кг/с (25 т/год). При роботі на низькореакційних вугіллях (антрацитний штиб, напівантрацит і худе вугілля) вугільний пил використовують для котлів продуктивністю більше 21 кг/с (75 т/год).

Для спалювання вугілля з легкоплавкою золою, а також для низькореакційних палив, які мають сприятливі температурні і в’язкістні характеристики золи і шлаку, можуть бути використані різні топки з рідким шлаковидаленням (відкриті, напіввідкриті і циклонні).

З метою уникнення значного шлакування екранів, рекомендується певна густина теплового потоку на січення топкової камери в районі пальників. Так, наприклад, при спалюванні АШ з твердим шлаковидаленням при багатоярусному фронтальному розташуванні вихрових або прямоточних пальників q_F не має перевищувати 2,35 МВт/м², а при спалюванні кам'яного і бурого вугілля 3,5 МВт/м². При рідкому шлаковидаленні і спалюванні антрацитів, напівантрацитів і худого вугілля q_F не має перевищувати 5,5 МВт/м², а для кам'яного і бурого вугілля 6,5 МВт/м².

Глибина топки з твердим шлаковидаленням при використанні вихрових і тангенціальних щілинних пальників визначається залежно від прийнятого q_F. Для топок з рідким шлаковидаленням при фронтальному і зустрічному розташуванні вихрових пальників глибина топки приймається в 5-7 разів більше діаметру амбразури пальників.

При проектуванні топкового пристрою основні його конструктивні і режимні параметри визначаються по рекомендованим в [Тепловий розрахунок котельних агрегатів (Нормативний метод)] розрахунковим характеристикам - по коефіцієнту надлишку повітря в топці, об'ємній густині тепловиділення, втраті теплоти від хімічного недопалу і втраті теплоти від механічного недопалу. Так, наприклад, при спалюванні бурого вугілля для котлів з камерною топкою з твердим шлаковидаленням продуктивністю 10 кг/с (35 т/год) приймають: α_т=1,2; q_V=0,245 МВт/м³; q_х.н=0,5 %; q_м.н=1,5-2,0 %; частка золи, яка відноситься з топки газами, а_вин=0,95.

При спалюванні АШ і ПА в котлі з камерною топкою і твердим шлаковидаленням приймають: α_т=1,24-1,25; q_V=0,14 МВт/м³; q_х.н=0%; q_м.н=4-6%; а_вин=0,95. При спалюванні вказаного вугілля в напіввідкритій топці з рідким шлаковидаленням приймають: α_т=1,24-1,25; для камери горіння q_V=0,58-0,70 МВт/м³; для топки q_V=0,17 МВт/м³; q_х.н=0%; q_м.н=3-4 %; а_вин=0,85.

Тема 6. Теплообмін в елементах котла. Теплообмін в топці. Теплообмін в конвективних поверхнях нагріву. Інтенсифікація радіаційного і конвективного теплообміну.

Передача теплоти від продуктів згорання до води, пароводяної суміші, пари і повітря, які рухаються в елементах котла, відбувається через металеві стінки. Процес теплопередачі відбувається за рахунок теплопровідності, конвекції і радіації, які відбуваються одночасно. До поверхонь нагріву теплота від газів передається конвекцією і радіацією. Через металеву стінку, а також зовнішні і внутрішні забруднення теплота передається теплопровідністю, від стінки до середовища, яке їх омиває - конвекцією і теплопровідністю. Схема передачі теплоти від продуктів згорання до середовища, яке нагрівається, показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема теплопередачі від продуктів згорання до робочого тіла

В процесі перенесення теплоти від газів до поверхонь нагріву відносне значення радіації і конвекції змінюється. До екранів, які розташовані в шарових і факельних топках в області найбільш високих температур газів, перенесення теплоти радіацією складає більше 90 %, до екранів топки з киплячим шаром 70-80 %. В ширмових поверхнях нагріву, які розташовані на виході з топки, теплосприйняття за рахунок радіації складає 60-70 %. Далі, по міру зниження температури газів відносна частка теплоти, яка передається конвекцією, збільшується і складає в пароперегрівачі 70-80 %, а в останній по ходу газів частині повітропідігрівачі - більш 95%.

За переважаючим способом передачі теплоти від газів до поверхонь нагріву їх прийнято умовно розділяти на радіаційні, напіврадіаційні і конвективні. До радіаційних поверхонь відносять екрани, фестони, пароперегрівачі, які розташовані в топці. Напіврадіаційними поверхнями є ширмові поверхні нагріву, ширмові поверхні пароперегрівача і випарні поверхні нагріву, які розташовані за топкою. Далі по ходу газів в газоходах котла розташовуються конвективні поверхні нагріву: випарні і пароперегрівачі поверхні нагріву, економайзери і повітропідігрівачі.

Теплообмін в топці

В топці одночасно відбуваються горіння палива та складний радіаційний і конвективний теплообмін між середовищем, яке її заповнює і поверхнями нагріву.

Джерелами випромінювання в топках при шаровому спалюванні палива є поверхня розжареного шару палива, полум'я горіння летких речовин, які виділилися з палива і трьохатомні продукти згорання СО₂, SO₂ і H₂O. При факельному спалюванні пилу твердого палива і мазуту джерелами випромінювання є полум'я, яке утворюється на поверхні частинок палива при горінні летких, розжарені частинки коксу і золи, а також трьохатомні продукти згорання. При горінні у факелі розпорошеного рідкого палива випромінювання частинок палива незначне. При спалюванні газу джерелами випромінювання є об'єм його факела і трьохатомні продукти згорання. При цьому інтенсивність випромінювання факела залежить від складу газу і умов протікання процесу горіння. Найінтенсивніше випромінює теплоту полум'я летких речовин, які виділяються при горінні твердого і рідкого палива.

Менш інтенсивне випромінювання коксу, який горить, і розжарених частинок золи, найбільш слабким виявляється випромінювання трьохатомних газів. Двоатомні гази практично не випромінюють теплоти. По інтенсивності випромінювання у видимій області спектру розрізняють факели, які світяться, напівсвітяться і не світяться.

Випромінювання факела, яке світиться і напівсвітиться, визначається наявністю твердих коксових частинок, сажі і золи в потоці продуктів згорання. Випромінювання факела, яке не світиться - випромінюванням трьохатомних газів.

Інтенсивність випромінювання твердих частинок залежить від їх розміру і концентрації в топковому об'ємі. По питомій інтенсивності випромінювання коксові частинки наближаються до абсолютно чорного тіла, але при спалюванні пилу твердого палива їх концентрація у факелі мала (приблизно 0,1 кг/м³) а тому випромінювання коксових частинок на екрани топки складає 25-30% від сумарного випромінювання топкового середовища. Золові частинки заповнюють увесь топковий об'єм і їх концентрація залежить від зольності палива. Теплове випромінювання золових частинок в факельних топках складає 40-60 % сумарного випромінювання топкового середовища. Частинки сажі утворюються при спалюванні мазуту і природного газу. В ядрі факела вони мають високу концентрацію і володіють великою випромінювальною здатністю. Випромінювання трьохатомних газів, які заповнюють об'єм топкової камери, визначається їх концентрацією і товщиною об'єму випромінювання. Частка випромінювання трьохатомних газів складає 20-30 % від сумарного випромінювання. В газомазутних топках умовно розділяють довжину факела на дві частини - яка світиться і не світиться. Інтенсивність випромінювання ядра факела мазуту в 2-3 рази вища, ніж ядра факела при спалюванні пилу твердого палива.

Теплосприйняття екранів топки визначається інтенсивністю випромінювання топкового середовища і тепловою ефективністю екранів. Збільшення інтенсивності випромінювання середовища топки підвищує падаючий на екрани тепловий потік. Зниження теплової ефективності екранів зменшує їх теплосприйняття.

Стосовно ідеальної системи з напівсферичним випромінюванням абсолютно чорного тіла і з рівноважною температурою у вакуумі загальний питомий потік енергії виражається законом Стефана-Больцмана, який після інтегрування початкової залежності має вигляд:

(1)

де Е₀ - загальний питомий потік енергії, Вт/м², с₀ - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; Т - абсолютна температура, К.

При такій ідеальній системі теплосприйняття променевосприймаючої поверхні Q (Вт) визначається по формулі:

(2)

де Т₁ Т_п - температури випромінюючої і теплосприймаючої поверхні, К.

Умови радіаційного теплообміну в топці відрізняються від ідеальних умов, які описуються законами Планка і Стефана-Больцмана, а саме:

1. Середовище в топці і поверхні, які її захищають, не є абсолютно чорними тілами. В топці промениста енергія розповсюджується в матеріальному непрозорому середовищі, яке містить гази, які горять, продукти згорання, частинки коксу і золи. При цьому відбувається часткове поглинання середовищем енергії випромінювання, її перехід в теплоту, потім знову випромінювання речовини в навколишнє середовище і на огороджуючі поверхні. Падаючий на огороджуючі поверхні потік енергії частково поглинається і частково відбивається в навколишнє середовище топки. Зворотне випромінювання при високій температурі огороджуючих поверхонь, наприклад забруднених екранів топки, може складати до 50 % від падаючого потоку енергії.

Стосовно таких умов теплообміну закон Стефана - Больцмана може бути виражений формулою:

(3)

де - інтегральний або середній коефіцієнт теплового випромінювання сірого тіла; с - коефіцієнт випромінювання сірого тіла, Вт/(м²∙К⁴). (Сіре тіло - це таке тіло, коефіцієнт поглинання якого не залежить від частоти, а залежить лише від температури)

Інтегральний коефіцієнт теплового випромінювання сірого тіла може бути виражений також відношенням , де Е – випромінююча здатність реального тіла при тій же температурі, що і в абсолютно чорного тіла.

2. В топці має місце просторове і несиметричне температурне поле випромінюючого середовища. Температура є максимальною в ядрі факела, де вона наближається до адіабатної температури горіння, тобто при α=1 і відсутності втрат в топці, а на виході з топки вона мінімальна і нижче на 700-800 °С від максимальної. Різниця температур по січенню поблизу екранів і в центрі топки складає 200-300 °С, а нерівномірність температур на виході з топки 50-100 °С. В результаті процес променистого теплообміну істотно ускладнюється, що утрудняє і теоретичний опис його закономірностей. Одночасно з радіаційним в топці відбувається і конвективний теплообмін між поверхнями нагріву і потоком газів високої температури при їх примусовому русі. Умови конвективного теплообміну відмінні від ідеалізованих і ускладнюються зміною фізичних параметрів і характеристик потоку газів в об'ємі топки (температури, теплопровідності, густини, в'язкості, а також зміною режиму руху цього потоку). Невизначеним є і температурний стан розташованих в топці теплосприймаючих поверхонь нагріву внаслідок різного по товщині і складу їх зовнішніх забруднення. Складний комплекс процесів теплообміну в топковій камері математично може бути описаний системою диференційних і інтегродиференційних рівнянь. У випадку коли відбувається спільне радіаційне і конвективне перенесення енергії, ця система складається з рівняння руху середовища, рівняння нерозривності потоку, рівняння збереження енергії, рівняння перенесення випромінювань, характеристичних рівнянь фізичного стану середовища і рівнянь граничних умов. Вирішення цієї системи рівнянь є важким через велику кількість чинників, які визначають умови променистого і конвективного теплообміну в топці, і невизначеності у встановлені граничних умов, а тому використовується в основному для наближених аналітичних досліджень.