Б. А. СОкОЛОВ

Котельные

НЕПРЕРЫВНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

установКи,

работающие

на твердом

топливе

Рекомендовано

Федеральным государственным учреждением «Федеральный институт развития образования» в качестве учебного пособия для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы начального профессионального образования по подготовке и переподготовке кадров по профессии 140101. «Машинист котлов»

Регистрационный номер рецензии от 14 мая 2010 г. ФГУ «ФИРО»

УДК 621.182/.183:621.039.542.3(075.9) ББК 31.361:31.352я С Серия «Непрерывное профессиональное образование»

Рецензент — зам. директора НОУ Тушинский учебный комбинат В. М. Полякова Соколов Б. А.

С594 Котельные установки, работающие на твердом топливе : учеб. пособие / Б.А.Соколов. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 64 с.

ISBN 978-5-7695-5804- Рассмотрены принципы работы и конструкции котлов, работающих на твердом топливе. Приведены сведения о твердых энергетических топливах и организации их сжигания. Освещено вспомогательное оборудование котельных: дутьевые вентиляторы, дымососы, питательные устройства котлов и система подачи топлива в топку котла, шлакозолоудаление.

Учебное пособие может быть использовано при освоении ПМ.01 «Обслуживание блочной системы управления агрегатами (котел-турбина)» и ПМ.02 «Обслуживание котлов» по профессии 140101.01 «Машинист котлов» в учреждениях начального профессионального образования.

Для подготовки, переподготовки и повышения квалификации рабочих по профессии «Машинист (кочегар) котельной».

УДК 621.182/.183:621.039.542.3(075.9) ББК 31.361:31.352я Оригиналмакет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Соколов Б. А., © Образовательноиздательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-5804-7 © Оформление. Издательский центр «Академия», К читателю На тепловых электрических станциях, в производственных и отопительных котельных широкое распространение находят котлы для выработки пара и горячей воды, работающие на твердом топливе.

Современные котельные установки, работающие на твердом топливе, — это сложные агрегаты, и для их обслуживания от операторов требуются специальные знания как о свойствах твердого топлива и методах его сжигания, так и об особенностях многообразных конструкций самих котельных агрегатов.

Данное учебное пособие содержит сведения теоретического и практического характера, необходимые оператору для выработки навыков эксплуатации котельных установок.

Благодаря учебному пособию вы будете знать:

основные теплотехнические характеристики твердого топлива;

составы продуктов полного и неполного сгорания топлива;

порядок выполнения расчетов горения твердого топлива, выхода продуктов его сжигания, статей теплового баланса котла и его коэффициента полезного действия;

принцип работы и конструктивное оформление наиболее распространенных паровых и водогрейных котлов.

Благодаря учебному пособию вы будете уметь:

определять коэффициент избытка воздуха;

составлять тепловой баланс котла;

определять коэффициент полезного действия котла;

выполнять подготовку котла и вспомогательного оборудования к работе.

1 Твердое топливо и его сжигание Состав и теплотехнические характеристики 1.1 твердого топлива Твердые органические топлива представляют собой сложные химические соединения горючих и негорючих веществ. Основными химическими элементами, входящими в состав твердого топлива, являются углерод С, водород Н, кислород О, азот N и сера S. Помимо указанных элементов в составе твердого топлива имеется влага W и негорючие минеральные вещества, образующие при сжигании золу А. Золу и влагу называют внешним балластом топлива.

Топливо в том виде, в каком оно поступает непосредственно к потребителю, называется рабочим топливом, а его масса — рабочей массой. Процентное содержание указанных химических элементов вместе с составляющими внешнего балласта в рабочей массе топлива называют элементарным составом рабочей массы топлива, для выражения которого используют формулу Cp + Hp + Op + Np + Sр орг+к + A + W = 100 %, где верхний индекс «р» укаp p зывает на то, что состав относится к рабочей массе топлива, а нижний «орг + к» — на источник серы (органическая и колчеданная).

Для одного и того же топлива количество минеральных примесей, дающих золу Ар, и влажность Wр могут изменяться в широких пределах в зависимости от условий добычи топлива, его транспортировки, хранения и др. Для удобства сравнительной оценки теплотехнических свойств разных сортов топлива используются понятия сухой, горючей и органической масс топлива. Обозначение составляющих элементарного состава этих масс топлива такое же, как и для рабочей массы, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса «р».

Сера в элементарном составе топлива может присутствовать в трех видах: Sорг — органическая (сера в составе высокомолекулярных органических соединений топлива); Sк — колчеданная (сульфиды металлов, чаще всего FeS2); Sс — сульфатная (сера сульфатов CaSO4, MgSO4, FeSO4, которая входит в минеральную часть топлива). Органическая и колчеданная сера Sорг+к при горении топлива окисляется с выделением теплоты, а сульфатная сера при температурах горения топлива окислению не подвергается и переходит в золу.

Различие рабочей, сухой, горючей и органической масс топлива схематично показано на рис. 1.1. Приведенные в табл. 1.1 составы рабочей Рис. 1.1. Составтоплива массы и низшая теплота сгорания некоторых твердых топлив являются их расчетными характеристиками.

Состав рабочей массы топлива — важнейшая характеристика, определяющая в дальнейшем целый ряд его показателей. Основным горючим компонентом этих топлив является углерод, при сгорании которого выделяется теплота — 34,4 МДж/кг. Содержание углерода в горючей массе Cг изменяТаблица 1.1. Расчетныехарактеристикитвердыхтоплив Месторождение и марка (Ленинградская обл.) 1.1 Состав и теплотехнические характеристики твердого топлива ется в пределах от 50 % в древесине до 95 % в антраците, т. е. углерод — основной источник тепловыделения топлива. Вторым по значению горючим компонентом топлива является водород, при сгорании которого выделяется 119 МДж/кг. Входящая в состав твердых топлив горючая сера окисляется при горении топлива с образованием сернистого газа SO2, обеспечивая тепловыделение 9,3 МДж/кг. Образующийся при сжигании серы SO2 является токсичным и коррозионно-активным, приводящим к интенсивной коррозии металлических элементов топливоиспользующих установок.

Кислород и азот считаются внутренним балластом твердого топлива, а зола и влага — внешним, так как повышение содержания золы и влаги в рабочей массе топлива приводит к уменьшению его горючей массы, а значит к снижению тепловыделения при сгорании топлива. При сжигании влажных топлив затрачивается теплота на нагрев и испарение влаги, перегрев образующихся водяных паров, что дополнительно уменьшает количество выделившейся теплоты, а соответственно, и температуру горения.

Зола топлива — минеральный остаток, получаемый при полном сгорании топлива. Зола образуется из его минеральных примесей, содержание которых зависит от вида топлива: в древесном топливе 1 … 2 %, в угле 10 … 40 %, в горючих сланцах до 70 %.

В процессе горения минеральные примеси могут из твердого состояния переходить в жидкое (раствор минералов называется шлаком). По температуре плавления зола топлива может быть легкоплавкой (tз < 1 350 °C), среднеплавкой (tз = 1 350 … 1 450 °С), тугоплавкой (tз > 1 450 °С). Повышенное содержание золы в топливе снижает технико-экономические показатели работы котлов из-за увеличения затрат на шлако- и золоудаление, очистку поверхностей нагрева от загрязнения, газоочистку, а также увеличения теплопотерь со шлаком и золой.

Влага твердого топлива бывает внешней и внутренней. Источниками внешней влаги являются поверхностные и грунтовые воды, влага атмосферного воздуха. Эта влага при транспортировке и хранении топлива находится на поверхности его кусков, проникает в капилляры и поры, особо развитые у торфа и бурых углей. Внешняя влага может быть удалена сушкой топлива (обычно при температуре примерно 105 °С). Внутренняя влага — это коллоидная и гидратная (кристаллогидратная) вода (входит в химическую формулу веществ). Повышение влажности топлива приводит к снижению его теплоты сгорания, увеличению объема продуктов горения (ПГ) и снижению температуры горения. В результате уменьшается производительность котлов и увеличивается расход топлива. Повышенная влажность ухудшает сыпучесть топлива, а в зимнее время из-за смерзания затрудняются условия транспортирования и использования топлива.

Теплота сгорания — количество теплоты, МДж, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива — зависит от агрегатного состояния влаги в ПГ, которая выделяется из топлива при сушке, а также образуется от сгорания водорода и может находиться в парообразном или в жидком виде. Если в ПГ все водяные пары конденсируются, образуя жидкую фазу, то получают высшую теплоту сгорания Qв, а если же конденсации водяного пара не происходит, то низшую теплоту сгорания Qн. Разность высшей и низшей теплоты сгорания равна теплоте конденсации водяных паров, содержащихся в ПГ топлива. В реальных условиях ПГ топлив в подавляющем большинстве случаев покидают котельные установки при температуре более высокой, чем температура, называемая температурой точки росы, при которой происходит конденсация содержащихся в них водяных паров. При этом теплота конденсации водяных паров полезно не используется и в теплотехнических расчетах не учитывается, а используется величина низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива Qр. Все твердые топлива при нагревании без доступа воздуха подвергаются термическому распаду с выделением горючих (CO, H2, CmHn) и негорючих (N2, O2, CO2, H2O) газов, составляющих выход летучих топлива, и образованием твердого остатка — кокса, в составе которого находятся углерод и прокаленные минеральные примеси (зола). Выход летучих относят на горючую массу топлива и обозначают V г. Летучие топлив играют существенную роль при их воспламенении и на начальных стадиях горения, так как в значительной мере определяют реакционную способность твердых топлив. Так, для некоторых видов твердого топлива выход летучих V г и температура начала их выделения Tн составляют:

Горючие сланцы

Торф

Бурые угли

Антрациты

В зависимости от состава твердого топлива, выхода летучих, спекаемости кокса, высшей теплоты сгорания рабочей массы ископаемые угли делятся на три основных типа: бурые, каменные и антрациты.

К бурым углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного угля 100Qр/(100 Ар) < 23,88 МДж/кг. Бурые угли харакв теризуются высоким выходом летучих Vг > 40 %, неспекающимся коксовым остатком и в большинстве случаев высокой влажностью. По содержанию влаги бурые угли делятся на три группы: Б1 (W р > 40 %); Б2 (W р = 30 … 40 %) и Б3 (W р < 30 %).

К каменным углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного угля 100Qр/(100 Ар) > 23,88 МДж/кг и выходом летучих V г > 9 %. Основная масса их поддается спеканию. Каменные угли делятся на марки по выходу летучих и характеристике твердого остатка (табл. 1.2).

1.2 Классификация твердого топлива Таблица 1.2. Маркикаменныхуглей К антрацитам (и полуантрацитам) относят угли, имеющие выход летучих в горючей массе топлива менее 9 %.

В основе процесса горения твердого топлива лежат химические реакции окисления горючих компонентов топлива: углерода C, водорода H и серы S. В качестве окислителя в процессах горения топлива в котельных агрегатах используется кислород O 2 атмосферного воздуха (содержит 21 об. % кислорода и 79 об. % азота).

Горение углерода при полном его окислении происходит по реакции в которой с учетом молекулярных масс образуется масса CO2:

т. е. для сжигания 1 кг С необходимо 32/12 = 2,667 кг О2, или с учетом плотности кислорода O2 при нормальных условиях Горение водорода происходит по реакции т. е. для сжигания 1 кг H2 нужно 8 кг О2, или 5,56 м3 О2/кг Н2.

Горение серы происходит по реакции т. е. для сжигания 1 кг S необходим 1 кг О2, или 0,7 м3 О2/кг S.

Теоретический расход кислорода, м3/кг, необходимый для полного сгорания 1 кг твердого топлива с учетом кислорода Op, содержащегося в рар плотность кислорода при нормальных условиях (O2 = 1,428 кг м3 ).

Если в качестве окислителя используется не кислород, а воздух, его теоретический расход составит Vв0 = VO2 = 4,76VO2 м3 кг.

На практике при сжигании топлива воздуха подают несколько больше, чем это требуется теоретически. Отношение действительного расхода воздуха V д, подаваемого на сжигание топлива, к его теоретическому значев эффициента избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива, конструкции горелочного и топочного устройств и для твердого топлива обычно находится в пределах 1,2 … 1,5.

В общем случае для всех видов топлива теоретический суммарный выход продуктов полного сгорания, м3/кг, можно представить в виде где VRO2 = VCO2 + VSO2 — объем сухих трехатомных газов; VN2,VH2O — объемы азота и паров воды при теоретически полном сгорании топлива.

При коэффициенте избытка воздуха = 1 и полном сгорании топлива газообразные продукты не содержат кислород и состоят из CO2, SO2, N2 и H2O. Для твердых топлив выход трехатомных сухих продуктов сгорания с учетом ранее приведенных реакций горения (1)—(3) составит, м3/кг:

Теоретический объем азота, м3/кг, переходящего в ПГ из воздуха и топлива, составит VN2 = 0,79Vв0 + 0,008Nр.

Теоретический объем водяного пара, м3/кг, определяется в виде суммы: VH2O = 0,111Hр + 0,0124W р + 0,0124dв Vв0 + 1,24Gф, в которой первое слаРасчеты горения твердого топлива. Продукты полного и неполного гаемое — объем водяного пара, образующегося при сгорании водорода рабочей массы, второе — влага, внесенная топливом, третье — влага, внесенная с воздухом (dв — влагосодержание воздуха, г/м3), и четвертое — влага форсуночного или дутьевого пара (Gф — расход пара на распыл, кг/кг топлива). Выход ПГ при сжигании топлива в условиях избытка воздуха ( > > 1) возрастает, т. е. Vс.п.г = VRO2 + VN2 + ( 1)Vв0 ; VH2O = VH2O + 0,0161( 1)Vв0 ; Vп.г = Vс.п.г + VH2O, где Vс.п.г — выход сухих продуктов горения.

Условия, необходимые для полного сгорания топлива: непрерывный подвод топлива в зону горения; непрерывный подвод окислителя в достаточном количестве; хорошее перемешивание топлива с окислителем; достаточная температура в топке; достаточное время пребывания топливовоздушной смеси в топке. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то появятся продукты неполного сгорания топлива.

При полном сгорании любого топлива с теоретически необходимым количеством воздуха состав ПГ можно выразить через сумму содержаний СО2 + SO2 + Н2О + N2 = 100 об. %. При полном сгорании топлива и избытке окислителя ( > 1) в ПГ будет присутствовать избыточный кислород, тогда их состав: СО2 + SO2 + Н2О + N2 + О2 = 100 об. %. При недостатке окислителя или плохом перемешивании сгорание топлива будет неполным, и ПГ будут содержать горючие газы — вначале монооксид углерода СО, затем водород Н2 и метан СН4. Таким образом, в общем случае полный состав ПГ при сжигании топлива с недостатком окислителя ( < 1) выражается суммой СО2 + Н2О + N2 + СО + Н2 + СН4 = 100 об. %. Помимо газообразных компонентов ПГ могут содержать сажу.

По анализу состава ПГ можно судить о процессе сжигания топлива. Прежде всего следует обращать внимание на содержание СО. Его отсутствие в данных анализа свидетельствует о полном сгорании топлива и отсутствии потерь теплоты от химической неполноты сгорания. При наличии СО в продуктах сгорания необходимо увеличить подачу воздуха с таким расчетом, чтобы исключить его образование или выйти на его минимальное значение в соответствии с производственной инструкцией или режимной картой.

Отсутствие СО в составе ПГ вовсе не свидетельствует о качественном сжигании топлива. Помимо СО необходимо знать содержание кислорода или трехатомных газов RO2 в сухих ПГ. С помощью данных о содержании этих компонентов можно установить важнейший показатель качества сжигания топлива — коэффициент избытка воздуха. Наиболее точно значение подсчитывается по «азотной» формуле, которая для случая полного сжигания топлива имеет вид = N2/(N2 – 3,76O2), где N2, О2 — содержание азота и кислорода в сухих ПГ, об. %; 3,76 — отношение содержаний N2/О2 в воздухе; N2 = 100 (RO2 + O2).

Примерное значение коэффициента избытка воздуха можно определить по «кислородной» формуле. Для полного сгорания топлива = 21/( O2), где O2 — содержание кислорода в ПГ.