Влияние свойств топлива на экономичность работы топок

Влияние свойств топлива на экономичность работы топок

Каждый вид и марка топлива обладают теми или иными свойствами и характеристиками, оказывают влияние свойств топлива на экономичность работы топок; разное топливо требует создания в топке различных условий, благоприятствующих его сжиганию с минимальными потерями. Довольно часто причиной неэкономичного сжигания, а также недостаточной производительности котла является несоответствие типа и конструкции топки особенностям используемого топлива. Для каждого вида топлива следует применять топку специальной конструкции, учитывающей все его характерные свойства.

К основным характеристикам и свойствам твердого топлива, определяющим условия экономичного горения и конструктивное оформление топочных устройств, относятся влажность, зольность, плавкость золы, размеры кусков, спекаемость, выход летучих, содержание серы и теплота сгорания. Краткая характеристика некоторых углей приведена в табл. 3-4, классификация каменных углей по маркам в табл. 3-5, по размеру кусков в табл. 3-6.

Влажность сильно колеблется даже для одного и того же вида топлива; она влияет на экономичность процесса горения. С увеличением влажности уменьшается теплота сгорания рабочего топлива. Изменение низшей теплоты сгорания топлива при увеличении содержания влаги на 1 % приведено в табл. 3-7.

С увеличением влажности топлива объем водяных паров возрастает, а следовательно, возрастает и объем газов, приходящихся на 1000 ккал низшей теплоты сгора-

 Таблица 3-4. Краткая характеристика некоторых углей

ния топлива. Увеличенный объем продуктов сгорания, проходящих по газоходам, вызывает увеличение температуры уходящих газов, а следовательно, и большие потери с ними. Одновременно повышается и расход электроэнергии на тягу как в связи с возросшим объемом газов, так и в связи с ростом сопротивлений из-за увеличения скоростей в газоходах.

Кроме того, затрата тепла на испарение влаги топлива, а также увеличенный объем продуктов сгорания при повышенной его влажности являются причиной снижения температуры в топке, замедленного выделения летучих; весь топочный процесс ухудшается, и поэтому увеличиваются потери от химической неполноты сгорания.

 Таблица 3-5. Марки каменных углей

Таблица 3-6. Классификация углей по размеру кусков

Таблица 3-7. Изменение низшей теплоты сгорания топлива при увеличении содержания влаги на 1%

Зависимость к.п.д. котлоагрегата от приведенной влажности топлива может быть выражена приближенной формулой

здесь ɳ΄΄_к.а – к. п. д. котлоагрегата при данной влажности топлива, %; ɳ΄_к.а – к. п. д. котлоагрегата при условной расчетной влажности, % ; Wⁿ – приведенная влажность рабочего топлива, %10³ кг/ккал; а – коэффициент, зависящий от типа и конструктивных особенностей котлоагрегата.

Например, для котлоагрегата ДКВР-10-13 при работе на твердом топливе указанная выше зависимость может быть представлена (по ЦКТИ):

При влажности твердого топлива выше 60% сжигание его в большинстве случаев становится невозможным, так как количество выделенного топливом тепла не может нагреть продукты горения даже до температуры 900 °С, при которой еще возможен устойчивый топочный процесс.

Повышенная влажность топлива приводит к коррозии водяных экономайзеров и воздухоподогревателей и к их засорению из-за прилипания к этим поверхностям нагрева влажной золы, что увеличивает потери с уходящими газами.

Зимой высоковлажное топливо смерзается, причем из сравнительно небольших кусков и мелочи образуются глыбы. Смерзание топлива усложняет эксплуатацию.

Приведенные недостатки использования влажного топлива относятся в первую очередь к твердому топливу, однако опыты подтвердили [Л. 33], что при сжигании обводненных мазутов также увеличиваются потери тепла с уходящими газами, расход электроэнергии на собственные нужды и коррозионная активность продуктов сгорания; возрастают и отложения золы на поверхностях нагрева. При умеренном повышении влажности мазута несколько уменьшается температура горения, что, однако, не отражается в такой степени на топочном процессе, как при сжигании влажных твердых топлив.

Зольность топлива также оказывает влияние на экономичность процесса горения. При удалении из топки и газоходов шлаков и золы безвозвратно теряются и недогоревшие частицы топлива. При этом чем больше зольность топлива, тем значительней и эта потеря от механической неполноты сгорания. С увеличением количества золы в топливе повышается и потеря с физическим теплом очаговых остатков.

Золовые отложения засоряют и загрязняют поверхности нагрева, что приводит к худшему охлаждению газов, повышению их температуры и в связи с этим к увеличению потери с уходящими газами. Зольность топлива мало влияет на температуру горения, так как наличие ее уменьшает как содержание горючей части, так и соответственно объем продуктов сгорания 1 кг топлива. Количество золы колеблется даже для одного и того же вида топлива.

Значения приведенной зольности

т.е. зольности рабочей массы топлива А^р, отнесенной к 1000 ккал теплоты сгорания, для некоторых углей даны в таблице 3-4.

Плавкость золы, зависящая в основном от ее состава, является важной характеристикой топлива. Различают следующие температуры плавления золы: t₁ - начало деформации, t₂ - начало размягчения и t₃ - начало жидкоплавкого состояния.

Плавкость золы имеет большое значение для экономичного сжигания топлива. Так, жидкий шлак заливает колосники и тем самым затрудняет или вовсе прекращает доступ воздуха в слой топлива, что ухудшает или приостанавливает процесс горения.

Мелкие расплавленные частицы шлака и золы налипают на трубы и, накапливаясь на них, уменьшают сечение газохода, нарушают теплообмен, приводят к ограничению мощности агрегата, повышенным потере топлива и расходу электроэнергии на тягу. Во избежание шлакования поверхностей нагрева температура газов на выходе из топки не должна превышать температуры начала деформации золы. Тепловое напряжение топочного объема должно быть не выше нормативных значений, рекомендуемых для данных топлива и топочного устройства. Сильное шлакование поверхностей нагрева котлов снижает экономичность и весьма усложняет эксплуатацию котлоагрегатов.

Размер кусков топлива оказывает большое влияние на процесс горения; чем крупнее куски, тем легче и с меньшим сопротивлением воздух проходит через слой, однако при больших кусках топлива уменьшается активная поверхность горения и часть воздуха, проходя через слой, не принимает участия в этом процессе. Для ослабления такого явления необходимо в топочных устройствах при сжигании крупных кусков топлива поддерживать несколько большую толщину слоя. Мелкое топливо создает большое сопротивление проходу воздуха через слой, кроме того, частицы такого топлива легко поднимаются из слоя воздушно-газовыми струями, увеличивая потерю от механической неполноты сгорания. Большое1 сопротивление слоя и унос из него частиц топлива обусловливают неравномерность горения мелкого топлива, в отдельных местах наблюдаются очаги с интенсивным горением и выносом газовоздушным потоком большого количества мелочи. При разрастании таких очагов в этих местах выносится все топливо до самой решетки и через образовавшийся прогар (кратер) устремляется струя воздуха, не участвующего в горении; в то же время в остальной части решетки процесс горения будет происходить с недостатком воздуха. Такое горение носит название кратерного. Оно особенно развивается при совместном сжигании крупных кусков топлива с мелочью Кратерное горение характеризуется увеличением уноса топлива, большими потерями с механической и химической неполнотой сгорания.

При слоевом сжигании газовых, пламенных и бурых углей максимальный размер кусков топлива не должен превышать 40-50 мм, наиболее благоприятный минимальный - 10 мм. Нормально количество мелочи размером до 10 мм не должно превышать 15-20%, из которых кусочков величиной от 0 до 5 мм должно быть не больше половины.

Для антрацита при сжигании в слое максимальный размер кусков должен составлять 30-35 мм, а минимальный - 5 мм. Нормально количество мелочи от 0 до 5 мм не должно превышать 10-15%.

При использовании топочных устройств с пневмомеханическими забрасывателями (топки ПМЗ-РПК, ПМЗ-ЛЦР и ПМЗ-ЧЦР), в которых сжигание топлива происходит как в слое, так и во взвешенном состоянии, содержание в угле мелочи 0-6 мм допускается до 60% и 0-3 мм - до 25% [Л. 48].

Как правило, в слоевых топках следует сжигать сортированный уголь, особенно это важно для механических топок, где затруднено даже частичное устранение неравномерности распределения топлива и кратерного горения, приводящих к значительным потерям.

Летучие. При нагревании и в результате возгонки из топлива выделяются летучие, на решетке остается нелетучий остаток - кокс, а также шлак и зола.

Выход летучих V^г определяется в процентах на горючую - (т. е. безводную и беззольную) массу топлива; у каменных углей выход летучих от 9 до 45-50%, в том числе у тощих - до 20%, у бурых углей - больше 40%, у антрацитов - менее 9%.

При прочих равных условиях чем больше выход летучих, тем меньше потери от механической неполноты сгорания и тем меньшими могут быть выбраны коэффициенты избытка воздуха в топке, что положительно сказывается на экономичности котла.

Спекаемость кокса топлива значительно влияет на процесс горения в слоевых топках, на его экономичность. Различают неспекающийся, слабоспекающийся и сильноспекающийся нелетучий остаток топлива (кокс).

Неспекаемость, равно как и сильную спекаемость кокса, можно рассматривать при слоевом сжигании как отрицательный фактор по следующим причинам.

1. Сжигание неспекающихся углей, образующих порошкообразный кокс, ограничивает форсировку топки, особенно при большом содержании мелочи в топливе, вследствие неизбежного роста потерь от механической неполноты сгорания с уносом;
2. Сжигание сильноспекающихся углей, создающих большое сопротивление проходу воздуха через слой, увеличивает недожог топлива и обусловливает кратерное горение. Для разрушения сплавленных между собой частиц угля и кокса и ликвидации кратерного горения требуется частая шуровка слоя. Обслуживание топок, не имеющих механических шуровочных устройств, значительно усложняется.

При умеренно спекающемся топливе с образованием пористого и легко проницаемого для воздуха слоя процесс горения протекает благоприятно, парализуется вредное влияние мелочи с уменьшением уноса из слоя несгоревших частиц.

Содержание серы снижает теплоту сгорания топлив, особенно высококалорийных, так как при сгорании 1 кг серы выделяется в среднем только 2 600 ккал. Высокое содержание серы приводит к сильному загрязнению продуктов сгорания топлива сернистым ангидридом SO₂. При наличии избыточного воздуха происходит частичное окисление SО₂ до SО₃ с образованием в соединении с водяными парами серной кислоты H₂S0₄. Последняя вызывает коррозию поверхностей нагрева. Содержание окислов серы в продуктах сгорания значительно, повышает температуру точки росы (иногда до 140-150°С), что ограничивает возможную глубину их охлаждения по условиям коррозии и тем самым снижает экономичность котлоагрегатов. Наличие этих окислов в продуктах сгорания ухудшает санитарные условия окружающей местности и в котельной.

Низшая теплота сгорания топлива Q^р_н, ккал/кг, ккал/м³ представляет собой количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м³ (при нормальных условиях) газообразного топлива за вычетом теплоты, идущей на испарение влаги топлива и образующейся при сжигании водорода.

Чтобы сравнивать разные виды натуральных топлив по отношению к условному, имеющему теплоту сгорания Q^р_н=7 000 ккал/кг, вводят калорийный эквивалент Э_т=Q^р_н/7 000. Зная этот эквивалент, можно определить низшую теплоту сгорания натурального топлива из выражения Q^p_н = 7000 * Э_т. Значения низшей теплоты сгорания и калорийного эквивалента для некоторых углей даны в табл. 3-4.

Сама по себе теплота сгорания топлива не оказывает влияние свойств топлива на экономичность работы топок, однако величина теплоты сгорания в значительной степени зависит от содержания в топливе балласта (влаги, золы), влияние которого на экономичность топочного процесса было рассмотрено выше. По этим причинам теплота сгорания топлива и рассматривается как один из факторов, определяющих экономичность горения.

Некоторые виды углей при использовании их в отдельности не обеспечивают достаточно экономичной работы котлов. Поэтому в тех случаях, когда это возможно по условиям снабжения, рекомендуется смешивать угли разных марок, с тем чтобы недостатки одного компонента компенсировались положительными свойствами другого. Так, нежелательные свойства слабого и сильного спекания кокса удается ослабить смешением соответствующих топлив. Путем смешения топлив разных марок можно значительно повысить экономичность топочного процесса.

Правильно подобранная смесь топлив должна обладать .необходимой спекаемостью, иметь достаточный выход летучих (18-26 %):

тощие угли и антрациты, особенно с большим содержанием мелочи, целесообразно смешивать со спекающимися каменными углями, имеющими большой выход летучих, в примерной пропорции: 75-60% тощих углей или антрацитов и 25-40% спекающихся углей;

неспекающиеся каменные и бурые угли, особенно несортированные, рекомендуется смешивать с 15-20% спекающихся углей, что заметно уменьшает потери с провалом и уносом;

антрациты целесообразно смешивать с бурыми углями; при этом получается рыхлый и пористый шлак, улучшающий процесс горения; не следует смешивать мелкий антрацит с бурым углем такого же размера кусков; неплохие результаты получаются при смешении мелкого антрацита с крупным бурым углем.

Для экономичного сжигания топочных мазутов важным является их вязкость, от величины которой зависит качество распыления форсунками и связанная с ним полнота сгорания топлива. Существенное влияние на экономичное сжигание мазутов имеет содержание механических примесей. Хорошая фильтрация мазута предотвращает быстрый абразивный износ проточной части форсунок и связанное с этим ухудшение распыления.