1 6. Теплопередача в топке 6.1. Общие сведения В топках
реклама
Теплогенерирующие установки 6. Теплопередача в топке 6.1. Общие сведения В топках современных котельных агрегатов большое значение имеет теплоотдача излучением. Особенно это относится к факельным и вихревым топкам, так как из·за меньших значений коэффициента избытка воздуха температура дымовых газов в этих топках оказывается значительно более высокой, чем в слоевых. В факельных и вихревых топках излучением передается до 40% и больше тепла, выделяемого топливом, что во многом определяет характерный профиль топки, отличающийся развитым экранированием. При горении топлива в слое излучает как пламя, развивающееся в топочном пространстве, так и горящий кокс, лежащий на колосниковой решетке. При этом в пламени излучают горящие летучие вещества, выделившиеся из топлива, и образовавшиеся трехатомные газообразные продукты сгорания – углекислота и сернистый ангидрид, а также водяные пары. При горении пылевидного топлива в факеле излучают те же компоненты, но характер излучения несколько меняется. Выделившиеся летучие сгорают не в сплошном потоке, как при слоевом сжигании, а вокруг отдельных центров – горящих частиц топлива; в результате излучает не сплошной поток пламени, а очень большое число центров его. Затем при сжигании пылевидного топлива излучает не сплошной слой относительно крупных кусков кокса, лежащих на решетке, а очень тонкие частицы кокса, сравнительно равномерно распределенные в факеле. При горении в факеле распыленного жидкого топлива принципиальные особенности излучения остаются такими же, как и при горении пылевидного топлива, с тем отличием, что излучение центров пламени становится доминирующим, а излучение частиц почти отсутствует. При горении газообразного топлива излучают горящий газ и трехатомные продукты сгорания и только при горении запыленных газов к этому 1 Теплогенерирующие установки добавляется еще излучение некоторого количества находящихся в них раскаленных твердых частиц. Интенсивности излучения компонентов факела и слоя различны. Наиболее интенсивно излучает пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлив. По внешнему виду это пламя отличается плотностью и ярким белым или желтым цветом. Значительно менее интенсивным является излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы и еще более слабым оказывается излучение трехатомных газообразных продуктов сгорания. Двухатомные газы тепла практически не излучают. Интенсивность излучения пламени горящего газообразного топлива сильно зависит от состава топлива и условий ведения процесса горения. Газы, не содержащие углеводородов (генераторный, доменный, водород) горят почти бесцветным пламенем. Интенсивность излучения пламени газов, содержащих углеводороды, колеблется в широких пределах и определяется совершенством перемешивания горящего топлива с воздухом. Углеводороды под влиянием высокой температуры расщепляются в пламени, образуя молекулы с более высоким содержанием углерода и частицы чистого углерода, которые светятся и излучают много тепла. Если при этом горящие газы плохо перемешаны с воздухом, то возникшие высокоуглеродистые соединения и частицы чистого углерода не могут быстро сгореть из·за недостатка кислорода; накапливаясь в пламени, они усиливают интенсивность излучения. Наоборот, при хорошем смешении горящих газов с воздухом высокоуглеродистые соединения и частицы углерода быстро сгорают; поэтому количество их в пламени становится незначительным, а излучательная способность пламени резко снижается. Таким образом, в зависимости от рода и вида сжигаемого топлива интенсивность излучения пламени может изменяться от очень сильной до очень слабой. 2 Теплогенерирующие установки 6.2. Теоретическая температура горения Тепло в топке от продуктов сгорания к воде котла передается через лучевоспринимающую поверхность нагрева, которая складывается из лучевоспринимающих поверхностей первого газохода и экранов. Первая поверхность – поверхность труб конвективного пучка, пересекающих газовое окно, через которое проходят продукты сгорания, когда они из топки направляются в первый газоход. Экранами называются ряды труб, покрывающие стенки топки. Обычно экраны выполняются однорядными, бывают и двухрядные Если один или два ряда труб пересекают топочное пространство, то их называют двухсветным экраном. Различают две основные температуры продуктов сгорания в топке. Одна называется теоретической и обозначается ϑ a , другая (меньшая по величине) называется температурой при входе в первый газоход, обозначается ϑ I . Снижение температуры в топке от теоретической до ϑ I′ получается за счет передачи тепла к лучевоспринимающей поверхности нагрева. Теоретическая температура – это такая температура, которая получилась бы в случае сгорания при полном отсутствии теплообмена (адиабатическое сгорание). Практически ее не удается достигнуть из·за влияния отдачи тепла излучением и в окружающую среду, а также возможной диссоциации продуктов сгорания ( CO 2 и H 2 O ) при высокой температуре. Уравнение баланса энергии для 1 кг топлива до процесса горения и после него, ккал/кг, имеет следующий вид 100 − q 3 − q 6 + I вз + i тл + Qф = 100 , ϑa ϑa н ϑa = V RO2 C + V Rн2 C + Vвн.п. C ϑ a = I a 0 RO2 0 R2 0 в .п. Qнр (6.2.1) где V0н – теоретический объем воздуха, м3/кг; 3 Теплогенерирующие установки q 3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания; q 6 – потери теплоты с физическим теплом удаляемых из топки золы и шлаков и от охлаждения панелей и балок, не включенных в циркуляцию котла; I вз – тепло, вносимое в топку с воздухом, ккал/кг; i тл – физическое тепло топлива, ккал/кг; Qф – тепло, вносимое в котельный агрегат с форсуночным паром при па- ровом распыливании мазута, ккал/кг; н V RO , V Rн2 , Vвн.п. – объемы соответственно трехатомных и двухатомных га2 зов и водяных паров, м3/кг; ϑа ϑа ϑа C ,C ,C 0 RO2 0 R2 – объемы соответственно трехатомных и двухатомных 0 в . п. газов и водяных паров, ккал/м3·°С; Тепловые потери в топке q 3 , q 4 , q 5т и q 6 снижают тепловыделение в ней, а следовательно, и величину теоретической температуры горения. Как принято в нормативном методе, потери q 4 и q 5т – потери топкой в окружающую среду и в формуле не учитываются. Потеря от механической неполноты сгорания учитывается при определении расчетного расхода топлива, а потеря в окружающую среду учитывается коэффициентом сохранения тепла ϕ при определении количества переданного тепла. Тепло, вносимое в топку с воздухом, ккал/кг, определяется по формуле I вз = V0нα т С вз t вз , (6.2.2) где V0н – теоретический объем воздуха, м3/кг; α т – коэффициент избытка воздуха в топке; С вз – средняя объемная теплоемкость воздуха, принимается 0,32 ккал/(м3°С); t вз – температура воздуха, при холодном дутье t вз = 25 °С, при подаче го- 4 Теплогенерирующие установки рячего воздуха определяется по результатам расчета воздухоподогревателя. Правая часть формулы представляет собой теплосодержание продуктов сгорания I a , ккал/кг, и определяется по левой части уравнения (6.2.1). Таким образом, теоретическая температура горения, °С, ϑa = Ia ϑa н V RO C 2 0 RO2 ϑa + V Rн2 C 0 R2 ϑa . (6.2.3) + Vвн.п. C 0 в .п . Теплоемкости газов зависят от ϑ a , поэтому, чтобы решить уравнение, приходится предварительно ориентировочно задаваться ϑ a , определяя по ней теплоемкости. Полученная температура должна совпадать с принятой. При наличии I − ϑ ·диаграммы, построенной для данного вида топлива, теоретическую температуру находят по теплосодержанию продуктов сгорания, не вычисляя знаменатель формулы (6.2.1). Из уравнений (6.2.1 и 6.2.3) видно, что теоретическая температура горения увеличивается с увеличением теплоты сгорания топлива, уменьшением тепловых потерь в топке, уменьшением коэффициента избытка воздуха и увеличением температуры подаваемого воздуха. Стремясь к повышению теоретической температуры горения при эксплуатации, стараются работать с минимально возможными избытками воздуха. Для создания устойчивого процесса горения теоретическая температура горения должна быть выше 1000 °С. При сжигании низкокалорийных углей в механических топках, а также низкокалорийных газов и при пылевидном сжигании твердого топлива для повышения теоретической температуры горения используют горячее дутье. При слоевом сжигании топлив, т. е. при наличии в топках металлических частей (чтобы избежать их перегорания), температура горячего воздуха не должна превышать 250 °С. При камерном сжигании топлива, в частности пылевидного, температура горячего дутья может достигать 400 °С. 5 Теплогенерирующие установки 6.3. Температура на входе в первый газоход и определение количества тепла, переданного в топке В топке процесс передачи тепла к поверхностям нагрева происходит в основном за счет лучеиспускания от факела и продуктов сгорания, а в слоевых топках – еще и от накаленного слоя горящего топлива. Из топки продукты сгорания поступают в газоходы котла, в которых тепло от продуктов сгорания к поверхностям нагрева передается в основном за счет конвекции, т. е. за счет непосредственного соприкосновения. Как известно, интенсивность процесса передачи тепла характеризуется коэффициентом теплопередачи, т. е. количеством тепла в ккал/ч, передаваемого через 1 м2 поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в 1°. По закону Стефана–Больцмана количество тепла, переданного лучеиспусканием, зависит от четвертой степени средней абсолютной температуры в топке. Коэффициент теплопередачи при этом может достигать 300 ккал/м2·ч·град, в то время как в газоходах котла коэффициент теплопередачи характеризуется величинами порядка 25 ккал/м2·ч·град. Эти показатели достаточно характеризуют огромное значение передачи тепла в топке, поэтому при конструировании следует так компоновать в одно целое котел и топку, чтобы передача тепла в топке достигала максимальных величин. Эту задачу конструктивно можно решить, если довести до максимума размеры лучевоспринимающих поверхностей в топке. Развивать до максимума лучистые поверхности целесообразно еще и потому, что у них отсутствует газовое сопротивление. Количество тепла, переданного в топке за счет лучеиспускания, ккал/кг, определяется уравнением: Q л = (I a − I I′ )ϕ , (6.3.1) где ϕ – коэффициент сохранения тепла учитывает потерю тепла в окружающую среду. 6 Теплогенерирующие установки Считая, что потеря тепла каждым газоходом, включая топку, пропорциональна его тепловой нагрузке, можно вынести этот коэффициент как множитель, отнесенный к сумме тепловой нагрузки всех газоходов. В таком случае можно составить равенство Q1 = ϕ (Q1 + Q5 ) , (6.3.2) откуда ϕ= Q1 = Q1 + Q5 1 1 , = Q5 q5 1+ 1+ Q1 η бр (6.3.3) где Q1 – полезное тепло, ккал/кг; Q5 – потери тепла от наружного охлаждения, ккал/кг. Абсолютная температура на выходе из топки, т.е. на входе в первый газоход, TI′ = ′ ϑ I′ + 273 °К определяется из формулы TI′ Bo 0,6 = , Ta Ma т0,6 + Bo 0,6 (6.3.4) где Ta – абсолютная теоретическая температура горения; Bo – критерий Больцмана; a т – степень черноты топки. Формула пригодна для значений Bo < 10a т или TI′ =< 0,9 . Ta Расчетный коэффициент M зависит от относительной высоты положения максимума температуры топочных газов X . Он учитывает также полноту тепловыделения при сжигании твердого топлива в слое, а при сжигании газа или мазута в зоне амбразур горелок или форсунок. X= h1 , h2 (6.3.5) где h1 – расстояние от нижней плоскости топки до плоскости максимальных температур топочных газов; 7 Теплогенерирующие установки h2 – расстояние от нижней плоскости топки до середины выходного окна топки. Величина X характеризует температурное поле топки, от формы которого зависит теплообмен M = A − BX . (6.3.6) По данным нормативного метода и дополнительным опытным данным В. П. Артемьева, расчетный коэффициент для топок: газовых мазутных слоевых пылеугольных M M M M = 0,52 − 0,3 X = 0,54 − 0,3 X = 0,59 − 0,5 X = 0,59 − 0,5 X Для определения X под нижней плоскостью топки следует понимать: − при сжигании газа и мазута, если горелки или форсунки расположены ниже средней горизонтальной линии выходного окна топки, – под топки и фронтовую стенку топки, если горелки или форсунки расположены в ней напротив выходного окна; − при слоевом сжигании твердых топлив на горизонтальных решетках – уровень колосниковой решетки; − для шахтных топок под топки за порогом; − для пылеугольных топок середину высоты шлаковой воронки. Плоскость максимальных температур топочных газов для топок с горизонтальными горелками и вертикальным развитием факела при сжигании газа несветящимся пламенем, мазута и угольной пыли совпадает с уровнем размещения горелок. Критерий Больцмана представляет отношение количества тепла, выделившегося при сгорании топлива, к количеству тепла, которое излучается при теоретической температуре по закону Стефана–Больцмана и передается поверхности нагрева (при отсутствии поглощения среды и обратного излучения). 8 Теплогенерирующие установки В окончательном виде Bo = ϕB р ∑ V гн C г 4,9 ⋅ 10 −8 ξH л Tа3 , (6.3.7) где ϕ – коэффициент сохранения тепла, учитывающий потерю тепла в окружающую среду; B р – расход топлива, кг/ч; V гн – объем продуктов сгорания при нормальных условиях, м3/кг; 4,9·10-8 – константа излучения абсолютно черного тела, ккал/м2ч·К4; ξ – условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающих поверхностей; H л – лучевоспринимающая поверхность нагрева, м2. Подставляя вышеприведенные значения в формулу (6.3.1), получаем расчетную формулу для определения температуры газов ϑ I′ , °С, при заданной лучевоспринимающей поверхности нагрева: ϑ I′ = Ta 4,9 ⋅ 10 H л a т Tа3 M B рV гн C г −8 ξ ϕ − 273 . 0, 6 (6.3.8) +1 Формула используется при поверочном расчете котельного агрегата. Из этой же формулы при заданной температуре ϑ I′ , м2, можно определить лучевоспринимающую поверхность: Hл = 10 8 Q л B р a т TI′Ta3 4,9 Mξ 3 1 Ta − 1 . 2 ′ M TI (6.39.) где Q л B р – количество тепла, передаваемое в топке, ккал/ч. Формула используется при конструировании котельного агрегата. 9 Теплогенерирующие установки Литература 1. Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с. 2. Щеголев, М.М. Котельные установки : учебник для вузов / М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. – М.: Стройиздат, 1972. – 384 с. 3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с. Содержание 6. Теплопередача в топке........................................................................................ 1 6.1. Общие сведения................................................................................................ 1 6.2. Теоретическая температура горения.............................................................. 3 6.3. Температура на входе в первый газоход и определение количества тепла, переданного в топке................................................................................................ 6 Литература ............................................................................................................. 10 10
