Технологическая схема производства пара

Акционерное

общество

 

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ТЭС

 

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения

специальности 5В071700 – Теплоэнергетика,

специализации: «Тепловые электрические станции»

 

 

 

Алматы 2012

СОСТАВИТЕЛИ: А.А. Кибарин, Т.В. Ходанова. Котельные установки ТЭС. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071700 – Теплоэнергетика, специализации:
«Тепловые электрические станции» - Алматы: АУЭС, 2012. – 85 с.

 

В конспекте лекций представлены сведения о котельных установках ТЭС (теоретические основы процессов, протекающих в паровых котлах; технология производства пара на ТЭС; конструкции, характеристики и принцип работы паровых и водогрейных котлов, а также котлов-утилизаторов, их элементов и вспомогательных механизмов; методика конструкторского и поверочного теплового расчета парового котла и т.д.).

Конспект лекций «Котельные установки ТЭС» предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В071700 – Теплоэнергетика.

Ил. 60, табл. 3, библиогр.- 18 назв.

 

 

Рецензент: канд. техн. наук, доц. М.Е. Туманов.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университета энергетики и связи» на 2011 г.

 

Ó НАО Алматинский университет энергетики и связи, 2012 г.

Содержание

Введение
1 Лекция. Задачи, содержание курса. Технологическая схема производства пара. Паровой котел в технологической схеме производства пара. История развития парового котла. Основные определения и термины паровых котлов.
2 Лекция. Классификация паровых котлов. Компоновка паровых котлов. Основные параметры паровых котлов. Типы и конструктивные схемы.
3 Лекция. Энергетическое топливо. Классификация и состав твердого, жидкого и газообразного топлива. Теплотехнические характеристики топлива.
4 Лекция. Горение энергетического топлива. Выход и состав продуктов полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха.
5 Лекция. Эффективность использования теплоты топлива. Тепловой баланс котельной установки. КПД КУ. Потери теплоты.
6 Лекция. Общие сведения о системе топливоприготовления. Сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Схемы. Характеристики угольной пыли. Основное оборудование схем топливоприготовления.
7 Лекция.Общие сведения о топочных устройствах котлов. Слоевое и камерное сжигание топлива. Типы топок. Характеристики.
8 Лекция. Тепловосприятие поверхностей нагрева. Парообразующие поверхности нагрева паровых котлов (топочные экраны, пароперегреватели). Конструкции экранов, пароперегревателей.
9 Лекция. Тепловосприятие поверхностей нагрева. Компоновка пароперегревателей. Методы регулирования температуры перегретого пара.
10 Лекция. Низкотемпературные поверхности нагрева. Схемы. Конструкции и компоновка экономайзеров и воздухонагревателей. Водяные экономайзеры. Воздухоподогреватели. Типы, конструкция.
11 Лекция. Водный режим работы барабанных котлов. Организация безнакипного режима работы котлов.
12 Лекция. Тепловая схема котла. Построение тепловых схем. Каркас и обмуровка котла. Типы обмуровки котлов.
13 Лекция. Схемы газовоздушного тракта котлов. Основное оборудование газовоздушного тракта котлов.
14 Лекция. Выход и характеристика зола и шлака. Золоулавливание. Системы шлакозолуудаления. Основное оборудование систем шлакозолуудаления.
15 Лекция. Пиковые водогрейные котлы. Специальные котельные установки - котлы утилизаторы. Типы, классификация, конструкция.
Список литературы

Введение

Курс «Котельные установки ТЭС» является первым из энергетических курсов по специальности, закладывающим основу для развития кругозора будущего бакалавра - теплоэнергетика.

Подготовка квалифицированных кадров бакалавров теплоэнергетиков в ВУЗах не возможна без глубокого изучения и понимания процессов, протекающих в основном оборудовании ТЭС.

Курс «Котельные установки ТЭС» в значительной степени синтезирует сведения из основных теплотехнических и физико-химических дисциплин, учит последовательному анализу сложных явлений. Такой анализ обычно предусматривает ряд приближений, в ходе которых выявляются главные соотношения между процессами, протекающими в котельной установке.

Задачей курса является ознакомление студентов - теплоэнергетиков с теоретическими основами процессов, протекающих в паровых котлах, с конструкциями и работой основного и вспомогательного оборудования, служащего для производства пара, а также с перспективами дальнейшего развития техники генерации пара.

В результате изучения курса студент должен знать: технологию производства пара на ТЭС; конструкции, характеристики и принцип работы паровых котлов, их элементов, а также вспомогательных механизмов; методику конструкторского и поверочного теплового расчета парового котла.

Изучив курс, студент должен уметь: анализировать техническое состояние котельной установки, ее отдельных элементов; разрабатывать и выполнять мероприятия по повышению экономичности и надежности котельной установки, проводить самостоятельно тепловые расчеты элементов котельных установок и котельного агрегата в целом.

Дисциплина «Котельные установки ТЭС» базируется на знаниях и умениях, приобретенных студентами при изучении курсов: «Физика», «Высшая математика», «Материаловедение», «Метрология и измерения», «Механика», «Техническая термодинамика», «Механика жидкости и газа», «Тепломассобмен», «Информатика», «Теплоэнергетические системы и энергоиспользование», «Спецвопросы сжигания топлива».

Курс «Котельные установки ТЭС» рекомендуется для студентов специальности 5В071700-Теплоэнергетика, выбравших специализацию «Тепловые электрические станции», и включается в учебные планы в качестве базовой дисциплины.

Лекция

Задачи, содержание курса. Технологическая схема производства пара. Паровой котел в технологической схеме производства пара. История развития парового котла. Основные определения и термины паровых котлов.

 

1.1 Задачи, содержание курса

Для специализации «Тепловые электрические станции» предметом курса является стационарная и станционная теплоэнергетика. Содержание курса включает основы теплового расчета котельных агрегатов, гидродинамики и теплопередачи в элементах паровых котлов, с учетом различных конструктивных решений.

 

Рисунок 1.5 - Схема развития типов котлов

1.5 Основные определения и термины

Котельная установка (далее КУ) - это комплекс устройств, предназначенных для получения пара или горячей воды.

Паровой котел - это техническое сооружение, в котором для получения пара требуемых параметров используют теплоту выделяющегося при сгорании органического топлива. Паровой котел представляет собой систему теплообменников для производства пара из непрерывно поступающей в него воды путем использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива, которое подается в топку вместе с необходимым для горения воздухом.

Основными элементами парового котла являются теплообменные поверхности нагрева, предназначенные для передачи теплоты от образующихся при сжигании топлива газообразных продуктов сгорания (теплоносителя) к воде, пароводяной смеси, пару или воздуху, называемым рабочим теплом.

По происходящим процессам преобразования рабочего тела различают нагревательные (экономайзер, воздухоподогреватель), испарительные и паронагревательные поверхности нагрева.

Поступающая в паровой котел вода, как правило, недогрета до кипения и называется питательной водой. При прохождении по поверхностям нагрева котла она постепенно нагревается до состояния насыщения, испаряется, а выделившийся из кипящей (котловой) воды насыщенный пар перегревается до заданной температуры. При этом теплота от продуктов сгорания может передаваться излучением (радиацией) или конвекцией.

В соответствии с этим различают поверхности нагрева: радиационные, получающие теплоту от продуктов сгорания в основном за счет их излучения; конвективные, получающие теплоту от продуктов сгорания преимущественно конвекцией; радиационно-конвективные (полурадиационные), получающие теплоту излучением и конвекцией примерно в равных количествах.

Для нормальной работы котла требуется обеспечить подачу, подготовку и сжигание топлива, подачу окислителя (воздуха) для горения, а также очистку и удаление образующихся продуктов сгорания - дымовых газов, золы и шлака (при сжигании твердого топлива и т.д.).

Вспомогательное оборудование, предназначенное для этих целей, включает:

- систему пылеприготовления;

- тягодутьевые устройства;

- золоулавливающее и шлакозолоудаляющее оборудование;

- водоподготовительные;

- питательные установки.

Для удобства рассмотрения схемы котельной установки целесообразно представить ее в виде отдельных трактов соответствующего назначения: топливный, пароводяной, газовоздушный (см. рисунок 1.6).

 

Рисунок 1.6 – Функциональные узлы котельных установок

Лекция

Классификация паровых котлов. Компоновка паровых котлов. Основные параметры паровых котлов. Типы и конструктивные схемы.

Рисунок 2.1 - Схемы водопарового тракта котла: барабанного с естественной циркуляцией; барабанного с принудительной циркуляцией и прямоточного

Рисунок 2.2 - Схема котла с естественной циркуляцией

Рисунок 2.4 – Схема котла с принудительной циркуляцией

Прямоточный паровой котел

Прямоточный котел (на примере котла Рамзина) характеризуется последовательным включением и однократным прохождением рабочей средой всех поверхностей нагрева (см. рисунок 2.5). Вода, поступающая в экономайзер, проходит прямотоком одним ходом все поверхности, включая топочные экраны, полностью испаряется, и затем перегретый пар, по паропроводу направляется к турбине. В такой конструкции котла в общем случае отсутствует четкое разделение экономайзерной, парообразующей и перегревательной поверхностей. Поэтому при переменных режимах работы изменяется положение границ между поверхностями нагрева, что влияет на выходные параметры пара и, прежде всего на его температуру. Поддержание параметров пара обеспечивается постоянным соотношением между расходом топлива и расходом воды. В связи с этим прямоточный котел требует применения более совершенной быстродействующей системы автоматического регулирования расходов топлива и воды.

При движении воды и пара в трубах возникает гидравлическое сопротивление, которое преодолевается избыточным напором питательного насоса. Приближенно полное гидравлическое сопротивление рабочего тракта прямоточного котла сверхкритического давления (СКД) составляет ∆p_пк=(0,2¸0,25)*p_пп. Поверхность экономайзера в конвективной шахте обеспечивает нагрев поступающей питательной воды до температуры, близкой к насыщению. После прохождения поверхности экономайзера питательная вода поступает в нижние коллекторы топочных экранов. Окончательный догрев воды до кипения происходит в топочном экране.

Полное экранирование стен топочной камеры достигается в этом случае соединением нескольких самостоятельных панелей из труб, по которым организуется последовательное движение рабочей среды.

 

 

Рисунок 2.5 - Схема прямоточного парового котла

По высоте топочная камера разделяется на две или три части с перемешиванием потока рабочей среды (выравниванием температур). В прямоточном котле экранируются панелями из пароперегревательных труб также боковые стены горизонтального газохода, поворотной камеры и потолочное перекрытие котла, после чего пар на котлах большой мощности поступает в полурадиационную (ширмовую) поверхность, расположенную в горизонтальном газоходе, и затем в выходную конвективную поверхность, откуда перегретый пар направляется в паровую турбину. Отсутствие процесса отделения пара от воды в рабочем тракте котла позволяет использовать котел не только при докритическом, но и при сверхкритическом давлении рабочей среды.

Компоновка паровых котлов

По конструкции в типовом паровом котле выделяются следующие основные элементы: топочная камера (топка), горизонтальный газоход, конвективная шахта. Компоновка КУ бывает П, Г, Т, U - образная, башеная, полубашенная и многоходовая (см. рисунок 2.6).

а) П – образная, б) Г – образная, в) Т – образная, г) – U – образная,

д) башенная, е) полубашенная, ж) многоходовая.

 

Рисунок 2.6 – Основные компоновки КУ

 

При сжигании мазута, природного газа используют П и Г -образные компоновки котлов. При сжигании твердых топлив: П и Г - образные компоновки применяют в котлах D£1600 т/ч; Т -образную компоновку применяют для котлов D>1000 т/ч, работающих на твердых топливах.

Для углей c высокоабразивной золой Т - образную компоновку используют для котлов, начиная с D>500 т/ч. Для мощных котлов при сжигании газа и мазута или бурых углей может быть использована башенная компоновка в сочетании с открытой и полуоткрытой компоновками КУ.

Лекция

 

Энергетическое топливо. Виды топлив. Классификация органических топлив. Состав твердого, жидкого и газообразного топлива. Теплотехнические характеристики топлива.

Элементарный состав топлива

Твердые и жидкие топлива состоят из следующих сложных органических соединений, образованных в основном пятью химическими элементами - углеродом (С, водородом (Н), серой (S), кислородом (О) и азотом (N). В состав топлива входят также влага (W) и негорючие твердые (минеральные) вещества, которые после сгорания образуют сухой остаток - золу (А).

По составу исходной массы топлива (при разном его состоянии) выделено несколько видов так называемых расчетных масс: рабочая, аналитическая, сухая, горючая (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Состав исходной массы топлива

Горючими элементами топлива являются: углерод С, водород Н, сера S. Основным горючим элементом является углерод С (20÷85 %), при горении:
С+О₂=>СО₂+ 34 МДж/кг. Наибольшей теплотой сгорания обладает водород: 2Н₂+О₂=>2Н₂О+ 121 МДж/кг, но его содержание в топливе составляет 2÷11 %.

Сера является вредной примесью, т.к. при сгорании образующиеся оксиды серы оказывают вредное воздействие на окружающую среду и приводят к развитию сернокислотной коррозии металла котла.

S_общ=S_гор+S_негор=(S_орг+)+S_сульф, (3.1)

где S_орг - содержится в органических соединениях;

S_{колч -} содержится в колчедане (FeS₂): FeS₂ + O₂ => Fe₂O₃ + 3O₂;

S_сульф - содержится в сульфатах минеральной части топлива
(CaSО₄, MgSO₄, FeSO₄).

При сгорании: S+О₂=>SO₂+ 9 МДж/кг. Общее содержание S_общ =0,1÷6 %.

Влага W и зола А составляют внешний балласт топлива, а кислород О и азот N - внутренний его балласт.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана
СH₄ (86-95%), а также небольшого количества других углеводородов:
этана (С₂H₆), пропана (С₃H₈), бутана (С₄H₁₀), этилена (С₂H₄), и пропилена (С₃H₆). В искусственных газах содержание горючих составляющих достигает
25-45 %, в балласте преобладают азот и углекислота: 55-75 %.

Состав газообразного топлива задается в объемных долях:

SС_nH_2n+2 + SС_nH_n + Н₂ + СО + Н₂S + О₂ + N₂ + CО₂ = 100 %, (3.2)

где SС_nH_{2n+2 -} предельные углеводороды;

SС_nH_2n – непредельные угловодороды;

Н₂S – сернистый водород;

СО – окись углерода; CО₂ - углекислый газ.

 

Общие характеристики топлив

 

1) Теплота сгорания - количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива.

Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового - к 1 м³ при нормальных условиях. Различают низшую и высшую теплоту сгорания. При известном элементарном составе топлива теплоту сгорания (кДж/кг) определяют по эмпирическим формулам, предложенной Д.И.Менделеевым:

 

Qpн = 340Ср + 1035Нр – 109(Ор - Sрл) – 25Wр; Qpв = 340Ср + 1260Нр – 109(Ор - Sрл).

(3.3)

Теплота сгорания сухого газа (кДж/м³) определяется по формуле:

Qpн = 358СН4 + 640С2Н6 + 915С3Н8 + 1190С4Н10 + 1465 С5Н12 + +126,5 СО + 107,5Н2 + 234Н2S; Qpв = 398СН4 + 700С2Н6 + 995С3Н8 + 1285 С4Н10 + + 1575 С5Н12 + +126,5 СО + 127,5Н2 + 257Н2S.

(3.4)

Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту вводят понятие условного топлива (Q_у.т =29 310 кДж/кг или 7 000 ккал/кг).

Отношение Q^p_н данного топлива к Q_у.т. условного топлива называется топливным эквивалентом:

Э = Q^p_н / Q_у.т. (3.5)

Тогда для расчета расхода натурального топлива В_н в условное В_у.т, достаточно величину В_н умножить на эквивалент Э, т.е. В_у.т. = В_н * Э

2) Зольность – определяет содержание минеральных примесей. Наибольшее количество примесей имеют твердые топлива. Примеси попадают в топливо главным образом при его добыче из окружающих пород и состоят в основном из глины Al₂O₃*2SiO₂*2Н₂О, силикатов SiO₂ и железного колчедана FeS₂. В состав примесей, кроме того, входят сульфаты кальция и железа, оксиды различных металлов, фосфаты, щелочи, хлориды и т.п. При сжигании топлива минеральные примеси в зоне высоких температур ядра факела претерпевают ряд превращений, в процессе которых образуется зола.

Минеральные твердые примеси в небольшом количестве попадают также в нефть в процессе ее добычи и переходят после переработки нефти в мазут. Зольность мазута обычно составляет не более 0,1 %. Природный газ не имеет минеральных твердых примесей, и его балласт составляют негорючие газовые компоненты.

Свойства золы играют большую роль в организации работы КУ. Часть золы, расплавленной в ядре факела, в условиях турбулентного перемешивания объединяется (слипается) и, становясь крупными тяжелыми частицами, выпадает в нижнюю часть топочной камеры в виде шлака. Другие расплавленные частицы золы, двигаясь вместе с газами, налипают на настенные топочные экраны и затвердевают на них.

Это явление называют шлакованием экранов.

Мельчайшие твердые частицы золы подхватываются потоком топочных газов и уносятся из топочной камеры, образуя летучую золу. Зола загрязняет конвективные поверхности нагрева и снижает их тепловую эффективность.

Особенностью золы мазута является наличие в ней ванадия, интенсифицирующего образование плотных отложений на поверхности нагрева. Оксиды ванадия, кроме того, в определенной зоне температур вызывают коррозию этих поверхностей.

 

3) Влагосодержание, как и зольность топлива, относится к его балласту и снижает теплоту сгорания. Влага в твердом топливе разделяется на внешнюю W_внш и внутреннюю W_внт. W_внш механически удерживается на поверхности топлива за счет смачивания, и ее количество в натуральном топливе зависит от его фракционного состава: влаги тем больше, чем мельче топливо, а значит, сильнее развита его поверхность. Существенное влияние оказывают на наличие W_внш атмосферные условия, при которых хранится или перевозится топливо. W_внт входит в органическое вещество топлива.

Принято внутреннюю влагу называть гигроскопической W^ги (в бурых углях - 10¸13 %, в каменных углях 3¸8 %, в антрацитах и полуантрацитах 1,5¸2,5 %). В жидком топливе (мазуте) влага присутствует обычно в небольшом количестве (1¸3 %), а в отдельных случаях (обводненные мазуты) - до 12 %, что связано с разогревом вязких мазутов перед их сливом высокотемпературным паром путем непосредственного ввода пара в массу мазута.

В природных газах практически нет влаги, газ обезвоживается перед поступлением его в газопровод.

Наличие влаги в топливе ¯ Q^p_н, что ведет к ­ его расхода. При этом ­ объемы продуктов сгорания, ­ потери теплоты с уходящими газами, расход энергии на подготовку топлива и удаление продуктов сгорания. Повышенная влажность твердого топлива затрудняет нормальное его движение по топливному тракту за счет потери сыпучести, в зимнее время дополнительно появляется явление смерзаемости топлива.

 

4) Серосодержание (сернистость). Сера имеет невысокую теплоту сгорания, а продукты ее сгорания (оксиды серы SO₂ и SO₃) оказывают вредное воздействие на окружающую среду и рабочие поверхности котельной установки. Сера в твердом топливе находится частично в составе органической массы, в горючей массе в форме сульфата железа (колчедана FeS₂), а также входит в минеральную часть (в виде сульфатов типа CaSO₄, Na₂SO₄ и т.д.). Сульфатная сера полностью окислена и в процессе горения не участвует.

В мазуте сера присутствует главным образом в составе серо-органических соединений и в меньшей части в форме сероводорода и элементарной серы, растворенной в углеводородных смесях. По содержанию серы топливные мазуты разделяются на сернистые (0,5 - 1,5 %) и высокосернистые (1,5 - 3,5 %).

В природном газе сера присутствует в основном в форме газообразного сероводорода H₂S, количество которого достигает в отдельных случаях 0,8 % объема газа.

5) Приведенные характеристики топлива. С увеличением балласта уменьшается горючая часть топлива и одновременно снижается его Q^p_н.
Для обеспечения заданной паропроизводительности котла потребуется увеличить расход топлива, и значит, еще более увеличится поступление балласта в котел. Поэтому процентное содержание влаги и золы в 1 кг топлива не является достаточной мерой их расхода через котел и выброса в окружающую среду. Более полную характеристику соотношения массовых расходов при сжигании различных топлив дает выраженное в процентах содержание химических элементов и балласта, отнесенное к 1 МДж Q^p_н, которое называется приведенной характеристикой.

В практике пользуются тремя характеристиками: приведенная влажность (W^п=W^р/Q^p_н), зольность (А^п=А^р/Q^p_н) и сернистость (S^п=S^р/Q^p_н).

 

Твердое топливо

Выход летучих веществ. Если твердое топливо постепенно нагревать в инертной среде без доступа воздуха, то при высоких температурах сначала выделяются водяные пары, а затем происходит разложение кислородосодержащих молекул топлива с образованием газообразных веществ, получивших название летучие вещества (СО, Н₂, СО₂, С_mH_n, H₂S, CN и др.).

Выход летучих веществ из твердых топлив происходит в интервале температур от 160 до 1100 °С и определяется содержанием кислорода в топливе:

. (3.6)

 

Летучие вещества, выделившиеся из топлива, обеспечивают более раннее воспламенение оставшейся твердой частицы, так как летучие вещества воспламеняются при более низкой температуре (350¸600 °С), чем твердый остаток (950¸1000 °С), и нагревают твердую частицу до воспламенения. Влияние летучих веществ существенно на начальной стадии горения топлива: чем выше выход летучих веществ, тем быстрее воспламеняется топливо и тем глубже оно выгорает. В связи с этим выход летучих веществ оказывает непосредственное влияние на организацию топочного процесса, выбор объема топочной камеры, эффективность (полноту) сжигания топлива.

Структура кокса. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ называется коксом. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, S_л, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом.

По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный – ГЖ, жирный – Ж, коксовый жирный - КЖ, коксовый - К, коксовый второй – К₂, отощенный спекающийся – ОС, слабоспекающийся– СС, тощий – Т.

Температурные характеристики золы. Поскольку золовые частицы представляют собой смесь минералов с различной температурой их плавления, состояние золы при высокотемпературном нагреве характеризуется следующими температурными точками: t₁ - начало деформации золовой пирамидки; t₂ - начало размягчения золы;
t₃ - температура жидкоплавкого состояния золы, t₀ - температура истинно жидкого состояния.

 

Мазут.

Важнейшей технической характеристикой, определяющей текучесть и условия применения мазута, является вязкость, которая существенно зависит от температуры и оказывает сильное влияние на продолжительность сливно-наливных операций, эффективность транспортировки по трубопроводам, качество распыления мазута перед сжиганием в топках и полноту его сжигания, а также на способность отстаивать содержащуюся в нем воду.

Плотность. Обычно пользуются относительной плотностью мазута (плотностью по отношению к плотности воды при температуре 20°С), которая составляет r₂₀ = 0,99¸1,06.

Температура вспышки и воспламенения - это температура, при которой пары мазута над поверхностью жидкой фазы кратковременно воспламеняются при поднесении источника огня. Температурой воспламенения считается такая температура паров в смеси с воздухом, при которой после вспышки продолжается устойчивое горение не менее 5 секунд. Эта температура обычно на 15-20°С выше, чем при вспышке. Мазут, сжигаемый на электростанциях, имеет температуру вспышки 135¸245°С, поэтому во избежание пожара температура подогрева мазута в открытых системах всегда должна быть ниже температуры вспышки (£10°С).

Газ.

Плотность. Почти все виды газового топлива легче воздуха, поэтому проникший в помещение газ скапливается под верхними перекрытиями.
В целях безопасности перед пуском котла проверяют отсутствие газа в вероятных местах его скопления.

Взрываемость. Смесь горючего газа с воздухом в определенных пропорциях при вводе в эту смесь источника огня может взорваться. Взрывоопасные концентрации горючего газа в воздухе зависят от химического состава и свойств газа. При этом выделяют нижний предел взрываемости и верхний предел взрываемости (наибольшая концентрация газа в воздухе), между которыми смесь газа с воздухом взрывоопасна.

Токсичность. Под токсичностью понимают способность газового топлива вызывать отравление. Наиболее опасными в этом отношении компонентами являются оксид углерода (СО) и сероводород (H₂S). Предельно допустимая концентрация СО в воздухе составляет 0,0024 % (0,03 мг/л), а опасна для жизни 0,4 % (при воздействии в течение 5¸6 минут).

Сернистые соединения в большинстве природных газов практически отсутствуют. В природном газе все его компоненты перемешаны равномерно и если состав газа известен, то концентрацию в воздухе вредных газов можно установить по присутствию в воздухе метана, процентное содержание которого определяют прибором - метаномером. Почти все природные газы совсем не имеют запаха или имеют весьма слабый запах. Для своевременного обнаружения утечки газа и принятия мер безопасности газовое топливо до поступления в газовую магистраль «одорируют», т.е. придают характерный острый запах введением сернистого соединения - меркаптана.

Лекция

 

Горение энергетического топлива. Выход и состав продуктов полного сгорания топлива. Определение коэффициента избытка воздуха.

 

Горение топлива

Горение топлива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты:

 

С+О₂=>СО₂ + Q_c↑; 2Н₂+О₂=>2Н₂О + Q_H2↑; S+О₂=>SO₂ + Q_S2↑. (4.1)

Горение
полное (образуются продукты СО2, Н2О, SO2)	неполное (дополнительно образуются СО, Н2, СН4)

Процессы горения разделяют на 2 группы: гомогенное горение
(горение газообразных горючих) и гетерогенное горение (горение твердых и жидких горючих). Причины неполноты горения: локальный недостаток окислителя: С+0,5О₂=>СО; температура газов <1000 ºС, или >2000 ºС; недостаточный контакт горючих элементов и окислителя.

Процесс горение твердого топлива состоит из следующих стадий:
1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике, является мазут.
В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами. Наибольшее применение получил метод сжигания в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии: нагревание и испарение топлива; образование горючей смеси; воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.); собственно горение смеси.

Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по стехиометрическим уравнениям горения:

- при полном сгорании углерода образуется: С+О₂=СО₂ Þ, исходя из молекулярной массы, получим: 1кг С + 2,67 кг О₂ = 3,67 кг СО₂;

- при окислении (горении) водорода: 2Н₂+О₂=2Н₂О Þ, исходя из молекулярной массы, получим: 1кг Н₂ +5,6 м³ О₂= 11,2 м³ Н₂О;

- при горении серы образуется: S+O₂=SO₂ Þ, исходя из молекулярной массы, получим: 1кг S + 0,7 м³ O₂ = 0,7 м³ SO_2.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания
1 кг топлива, определяется по следующей формуле:

 

V^о = 0,0889 (С^р + 0,375S_л^р ) + 0,265 Н^р – 0,033О^р, м³/кг. (4.2)

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания газа:

 

V^о =0,0476 (0,5СО + 0,5Н₂ +1,5Н₂S + ∑(m + n/4)C_mH_n - O₂), м³/м³, (4.3)

 

то есть V^о представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1м³) топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород. В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (воздуха), в результате ухудшается полное горение топлива. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством V^о_в.

Отношение действительного количества воздуха (V_в), подаваемого в топку, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха:

a = V_в / V^о_в (1,02¸1,7). (4.4)

 

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры обозначается a_т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства.

Уменьшение a дает экономию расхода энергии на тягодутьевых устройствах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения a_т ведет к росту недожога топлива и снижению экономичности котла. За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов. Присосы определяются в долях от теоретически необходимого объема воздуха:

∆a_i = ∆V_i /V_в^о, (4.5)

где DV_i - объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как:

a_i = a_т + S∆a_i. (4.6)

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Da_т, с учетом этого избыток воздуха в зоне горения будет составлять:

a_гор = a_т - ∆a_т. (4.7)

Лекция

 

Эффективность использования теплоты топлива. Тепловой баланс котельной установки. КПД котельной установки. Потери теплоты.

Лекция

Общие сведения о системе топливоприготовления. Сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Схемы. Характеристики угольной пыли. Основное оборудование схем топливоприготовления.

Сушка топлива

Для улучшения размола топлива, хранения и транспортирования пыли, а также для интенсификации ее зажигания и горения топливо подсушивают. Сушка топлива может осуществляться по замкнутой и разомкнутой схемам.

При замкнутой схеме отработавший в системе пылеприготовления сушильный агент вместе с пылью направляют в топку (см. рисунок 6.2, б и в). При разомкнутой схеме отработавшие сушильные газы сбрасывают в атмосферу (см. рисунок 6.2, а). Для относительно сухих углей при внешней влажности, не превышающей 10 %, сушку топлива ведут одновременно с размолом в мельничном устройстве путем подачи внутрь мельницы горячего воздуха или продуктов сгорания. Для влажных топлив (15-20 %) частичная предварительная подсушка может осуществляться по замкнутой схеме непосредственно перед мельничным устройством в коротких сушильных трубах.

Окончательная подсушка топлива выполняется в мельнице в процессе размола. Для высоковлажных топлив (более 20 %) возможно применение предварительной сушки топлива в отдельном сушильном устройстве