КОНСТРУКЦИИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

К нагревательным приборам, применяемым в системах центрального отопления, относятся чугунные и стальные радиаторы, чугунные ребристые трубы, стальные и чугунные конвекторы, бетонные отопительные панели и приборы, изготовляемые из стальных труб в виде регистров и змеевиков.

Чугунные радиаторы. Чугунные радиаторы являются наиболее распространенным видом нагревательного прибора. Их отливают из серого чугуна отдельными секциями или блоками, состоящими из нескольких секций. Из этих секций собирают приборы с поверхностью нагрева, требуемой по расчету.

Секции радиаторов в зависимости от числа вертикальных каналов подразделяют на одноканальные, двухканальные и многоканальные. В настоящее время применяются исключительно двухканальные радиаторы.

Секции радиаторов соединяют на специальных станках в нагревательные приборы при помощи ниппеля — короткого цилиндра с наружными резьбами (с одного конца — правой, а с другого — левой) и двумя продольными приливами (валиками) на внутренней поверхности (рис. V. 1 ,а). Для соединения секции между собой используют торцевой радиаторный ключ (рис. V. 1,6), расплющенный на одном конце в виде лопаточки. При свертывании секций лопаточка радиаторного ключа упирается в валик ниппеля и придает ниппелю при помощи воротка (рис. V. 1, в) вращательное движение. Соединение радиаторных секций показано на рис. V. 2.

Радиаторные секции соединяют между собой на прокладках толщиной до 1,5 мм. При теплоносителе горячая вода с температурой до 100°С применяются прокладки из тряпичного картона, смоченные в воде и проваренные в натуральной олифе со свинцовым суриком; при теплоносителе пар и вода с температурой выше 100°С — прокладки из паронита, проваренные в том же составе. Можно также применять прокладки из термостойкой резины. В отверстия крайних секций сгруппированного радиатора ввернуты четыре чугунные пробки, из которых две сквозные служат для присоединения прибора к трубопроводу, а две без отверстий — глухие.

Размер радиаторной секции определяется ее строительной (монтажной) высотой hполной высотой hn, глубиной а и шириной б (рис. V. 3). Строительной и монтажной высотой радиаторной секции называется расстояние между центрами ниппельных отверстий секции. Чугунные радиаторы рассчитываются на рабочее давление

Для теплотехнической оценки того или иного нагрева тельного прибора служит так называемый «коэффициент пересчета», который показывает, во сколько раз экм того или иного прибора превышает квадратный метр. Чем больше это отношение, тем больше теплоотдача прибора.

Для увеличения поверхности нагрева внутри секции радиатора М-140 А (в ее водяном пространстве) имеется восемь ребер, расположенных под углом 45° к вертикали.

Радиаторы РД-26 (рис. V. 6), а также радиаторы РД-90 и В-85А — это малоглубинные радиаторы, имеющие высокие технико-экономические показатели и нашедшие большое применение в крупнопанельных зданиях.

Радиатор Бор-2 представляет собой отлитую из чугуна плиту с прилитыми к ней двумя ребрами, внутри которых циркулирует теплоноситель. Радиатор устанавливают поверхностью плиты непосредственно к стене. Благодаря продольному приливу между стеной и поверхностью плиты прибора образуется воздушная прослойка шириной 10 мм, повышающая теплоотдачу прибора.

Имея наименьшую по сравнению со всеми другими радиаторами глубину и не худшие тепловые и техникоэкономические показатели, радиатор Бор-2 найдет широкое применение в жилых зданиях.

Тепловая панель, изображенная на рис. V. 8, также относится к радиаторам. Для увеличения поверхности нагрева она снабжена с одной стороны продольными ребрами. К достоинствам тепловой панели следует отнести ее сравнительно небольшие вес, число ниппельных соединений и глубину прибора. Недостатками являются неудобство очистки от пыли оребренной поверхности и хрупкость ребер.

Радиатор «Польза № 6» (см. рис. V. 9) имеет сравнительно низкие тепловые и технико-экономические показатели. Из-за больших высоты и поверхности нагрева он находит применение там, где требуется заменить большое количество низких секций в нагревательном приборе (например, 25 и более) на меньшее число секций, и устанавливается главным образом в помещениях общественного назначения (например, в театрах, музеях и т. п.), а также на лестничных клетках жилых зданий. Большое количество ниппельных соединений в нагревательном приборе не способствует его прочности.

Стальные штампованные радиаторы. Стальные радиаторы из листовой стали могут изготовляться в виде чугунных радиаторов или панелей. В настоящее время промышленность выпускает в основном стальные радиаторы панельного типа.

Стальные радиаторы панельного типа изготовляют из листов холоднокатаной стали толщиной 1,5 мм с проваркой швов в местах их соединений. Такой прибор показан на рис. V. 10.

В отличие от нагревательных приборов, собираемых из отдельных секций, нагревательный прибор этого типа не может изменять поверхность нагрева.

Существенным недостатком любого стального нагревательного прибора является возможность его коррозии под действием находящегося в воде воздуха. По этим соображениям установка стальных радиаторов любого типа (в том числе и панельного) рекомендуется лишь в системах водяного отопления, в которых в качестве теплоносителя используется обработанная теплофикационная вода. Корродирующее действие на сталь теплофикационной воды незначительно.

Чугунные ребристые трубы. Чугунные трубы отливаются из серого чугуна с круглыми или прямоугольными ребрами и фланцами для присоединения к трубопроводам системы отопления. Наличие ребер на трубе увеличивает ее поверхность нагрева, нов то же время снижает температуру теплоотдающей поверхности. В настоящее время промышленность выпускает лишь трубы внутренним диаметром 70 мм с круглыми ребрами диаметром 175 мм (рис. V. 11).

Теплоотдача ребристых труб происходит в основном конвекцией (95%) и незначительно излучением (5%). Характеристика чугунных ребристых труб с круглыми ребрами приведена в табл. V. 3.

Чугунные ребристые трубы рассчитаны на рабочее давление 6 кгс/см2.

К недостаткам чугунных ребристых труб следует отнести трудность очистки от пыли межреберного пространства прибора, а также слабую прогреваемость и хрупкость ребер. По гигиеническим соображениям их применяют лишь в помещениях с кратковременным пребыванием людей (в банях, прачечных, складах), а также в производственных помещениях, в которых выделяется незначительное количество пыли.

Нагревательные приборы из гладких стальных труб.

Нагревательные приборы из гладких стальных труб часто применяются для отопления теплиц, оранжерей, а также для обогревания световых фонарей производственных помещений. Удобство очистки от пыли способствует их установке в нижней зоне сильно запыляемых помещений (деревообрабатывающих, шлифовально-обдирочных и других предприятий). Гладкие стальные трубы имеют высокую теплоотдачу — коэффициент их теплопередачи выше, чем у радиаторов. Теплоотдача таких приборов уменьшается с увеличением диаметра и числа горизонтально расположенных рядов труб.

Обычно нагревательные приборы изготовляют или в виде регистров из одного или нескольких рядов труб (рис. V. 12,6), или в виде змеевиков (рис. V. 12,а).

Бетонные отопительные панели. В настоящее время для обогрева помещений крупнопанельных зданий находит применение бетонная отопительная панель (плита) со встроенными в нее стальными трубами В отдельных случаях взамен стальных труб в качестве нагревательного элемента могут быть применены также трубы из термостойкого стекла или пластмассы. В последнее время в экспериментальном порядке стали выполнять бетонные панели без заделки в них каких-либо труб, но с оставленными в их толще каналами, покрытыми водонепроницаемым лаком, по которым циркулирует теплоноситель.

Впервые бетонные нагревательные панели со встроенными стальными трубами были применены в начале нашего столетия для отопления нескольких зданий русским инженером В. А. Яхимовичем, однако дальнейшего распространения они не получили. С развитием в СССР индустриального строительства зданий целесообразность применения нагревательного прибора этого вида стала очевидней. Эти нагреватели хорошо увязываются с конструктивными элементами здания и согласуются с архитектурой помещений. Общая теплоотдача труб, встроенных в бетонную панель, повышается благодаря увеличению внешней теплоотдающей поверхности панели.

Бетонные отопительные панели часто устанавливают в нижней зоне помещения у наружных стен под окнами (рис. V. 13) и реже в перегородках. Их применяют в системах водяного отопления жилых и общественных зданий, а в ряде случаев и для производственных зданий. Для отопления детских комнат используют плинтусные бетонные панели (рис. V. 14). Отопительные бетонные панели требуют меньшей затраты труда на установку и меньшего расхода металла на изготовление, чем чугунные радиаторы.

К недостаткам бетонной панели следует отнести ее значительный вес и большую тепловую инерцию, замедляющую остывание и прогревание панели, а также трудность ее ремонта.

Конвекторы. Конвекторами называются нагревательные приборы, состоящие из стальных или чугунных оребренных труб. Они бывают открытого типа — плинтусные и закрытого, в которых сребренная труба помещена в металлический кожух.

На рис. V. 15 показана конструкция современного плинтусного конвектора. Он состоит из стальной трубы диаметром 20 мм, по которой движется теплоноситель, и оребрения в виде пустотелых коробок из листовой стали толщиной 0,8 мм, составляющих основную теплоотдающую поверхность. Конвекторы изготовляют длиной 1,25 м с поверхностью нагрева 1,06 м2 (или 0,645 экм) с коэффициентом теплопередачи К—4,8 ккал/м2-ч-град при tcp — ?в=|64,50.

Конвектор закрытого типа показан на рис. V. 16. В этот конвектор воздух помещения поступает под кожух снизу и, нагревшись от оребренной трубы, попадает обратно в помещение через решетку в верхней части кожуха. Благодаря этому в кожухе прибора возникает усиленное движение воздуха, которое путем конвекции повышает теплоотдачу оребренной трубы.

Теплоотдачу конвектора можно регулировать дроссель-клапаном, установленным на кожухе, пропуская большее или меньшее количество воздуха через прибор. Стальные трубы до закладки их в бетонную панель испытывают гидравлическим давлением 10 кгс,/см2.

Применение нагревательных приборов. При выборе того или иного нагревательного прибора следует учитывать допускаемое в них давление и назначение помещений, в которых эти приборы надлежит устанавливать.

Запорная и регулирующая арматура

В системах центрального водяного отопления для отключения отдельных колец и ветвей систем, для регулирования теплоотдачи нагревательных приборов устанавливают запорную и регулирующую арматуру. Кроме  того, для опорожнения систем на каждом стояке (в зданиях высотой более трех этажей) и на стояках лестничных клеток (в зданиях независимо от числа этажей) следует предусматривать в нижних точках трубопроводов запорную арматуру.

Если в помещении имеется несколько нагревательных  приборов, то регулирующую арматуру можно устанавливать только для части приборов. При этом теплоотдача 1 регулируемой поверхности приборов должна составлять 1 не менее 50% общей теплоотдачи нагревательных приборов, расположенных в помещении.

Регулирующую арматуру не устанавливают у нагревательных приборов, размещаемых во вспомогательных помещениях (гардеробных, душевых, санузлах, кладовых и др.), на лестничных клетках и в местах, где имеется опасность замораживания ее, а также в тех случаях, когда теплоотдача прибора регулируется по «воздуху» — 1 воздушным клапаном.

К запорной арматуре относятся: задвижки, пробковые краны, вентили, обратные клапаны, а к регулирующей: 

краны двойной регулировки и трехходовые регуляторы расхода.

В системах отопления при температуре теплоносителя более 100°С в качестве запорной арматуры вместо пробковых кранов следует применять вентили.

Регулирующие клапаны (ГОСТ 10944—75) выпускают типов: трехходовые  (КРТ), проходные   (КРП)—для однотрубных систем и двойной регулировки (КРД) — для двухтрубных систем.

Краны всех типов в зависимости от конструктивного решения регулирующего устройства могут быть шиберными (Ш), вентильными (В), пробковыми (П) и дроссельными (Д).

Регулирующие краны устанавливают у нагревательных приборов в системах водяного отопления для ручного регулирования теплоотдачи приборов при температуре теплоносителя до   150°С и давлении   1 МПа.

Регулирующий проходной шиберный кран предназначен только для потребительского регулирования. Запорным органом крана служит шибер 1. При вращении маховика 2 шпиндель 3 поднимается, увлекая  за собой шибер и тем самым создавая проход теплоносителю. При обратном повороте маховика шибер опускается и перекрывает отверстие для поступления теплоносителя. Краны выпускают диаметром 20 мм массой 0,4 кг.

Шиберный кран   двойной   регулировки  состоит из прямоточного литого корпуса 1, фасонное (серповидное) проходное отверстие которого перекрывается  втулкой 5 монтажного регулирования при ее повороте. При вращении шпинделя 3 по пазу втулки поступательно  перемещается шибер 2, который перекрывает проходное; отверстие в вертикальном направлении.

Кран позволяет  производить раздельное и независимое друг от друга монтажное и потребительское регулирование. Краны двойной  регулировки  выпускают диаметром 20 мм, массой 0,4 кг.

При монтаже системы отопления элемент монтажного регулирования устанавливается в положение, указанное : в проекте, по градуировке на корпусе крана. Количество теплоносителя,  поступающего  в   прибор,   регулируется поворотом ручки крана в направлении стрелки.

Трехходовой кран   (рис.   110,а)   представляет собой стакан, в боковых стенках которого расположены три канала. Внутри стакана с помощью рукоятки вращается цилиндрическая пробка 3. При повороте пробки крана в пределах 90° вся горячая вода, поступающая в стояк,  может проходить через отопительный прибор  (рис. 110,6) или через стояк (рис. 110,в).

Рис. 110. Трехходовой кран: а — общий вид и разрез, б — монтажное положение, в — потребительское положение;   1 — корпус  крана,  2 — останоп,  3 — пробка,  4 — крышка,   5 — гайка сальника

В первом случае обеспечивается   максимальная   теплоотдача   прибора,  во втором — прибор будет выключен. Может быть и промежуточное положение,  когда  часть  воды будет проходить через прибор, а часть — через стояк.

Применение трехходовых кранов обеспечивает повышенную гидравлическую и тепловую устойчивость одно- I трубных систем отопления и делает их регулируемыми и экономичными.                                                                  Расход в системах отопления регулируют гидравлическим регулятором системы «Мосэнерго», который  устанавливают на подающих трубопроводах сетевой  воды. Регулирование постоянства расход достигается поддержанием постоянного перепада давлений между  падающим и обратным трубопроводами  сетевой   воды.

Рис. 111. Регулятор расхода системы «Мосэнерго»: 1,8 — вентили, 2 — импульсная линия от обратного трубопровода, 3 — дроссельная шайба, 4— крестовина, 5 — дроссельная шайба d, 6 — импульсная линия от подающего трубопровода, 7—фильтр для очистки воды, 9— манометры,10 —сильфон, 11 — корпус клапана, 12 — золотник, 13 — пружина, 14 — маховик

Регулятор расхода системы «Мосэнерго»   (рис.   111) имеет следующую конструкцию. В односедельном чугунном корпусе 11 регулирующего клапана расположен золотник 12, на который с одной стороны действует усилие пружины 13, регулируемое маховиком 14, а с другой— усилие, создаваемое разностью давлений воды на сильфон 10. Сильфон соединен со штоком золотника.

Ход сильфона   регулируют   стопорным винтом,  расположенным в надсильфонной камере.

Надсильфонная камера через крестовину 4 соединена с импульсными линиями. Импульсная линия 6 связывает надсильфонную камеру с подающим трубопроводом, к которому она подключается через фильтр 7 вентилем 8.

Фильтр защищает от загрязнения систему импульсной связи регулятора. В месте соединения импульсной линии с крестовиной установлена дроссельная шайба 5 с отверстием диаметром d. Импульсная линия 2 связывает надсильфонную камеру  с обратным трубопроводом, к которому она подключается вентилем 1. В месте соединения импульсной линии с крестовиной установлена дроссельная шайба 3 с отверстием диаметром d2.

Давление в подающем и обратном трубопроводах и в надсильфонной камере контролируют техническими манометрами 9.

Регулятор действует следующим образом. Каждому установившемуся перепаду давлений между подающим и обратным трубопроводами соответствует определенное положение золотника/2 регулирующего клапана, которое определяет расход сетевой воды. Подбирая дроссельные шайбы с отверстиями диаметром d и регулируя натяжную пружину 13, регулятор настраивают на поддержание определенных постоянных перепада давления и расхода сетевой воды.

При повышении или понижении давления в подающем или обратном трубопроводе изменяется давление в надсильфонной камере. Вследствие этого изменяется усилие, действующее на днище сильфона и определяющее положение золотника клапана. При этом золотник клапана устанавливается в положение, которое определяет заданный перепад и расход сетевой воды. Пуск регулятора осуществляют при нормальной работе теплосети в следующем порядке.

1.  При закрытых вентилях 1 и 8 проверяют на плотность сильфон регулятора. Для этого отвертывают трубку, соединяющую крестовину с сильфонной камерой, и если сильфон неплотный, то он будет пропускать воду из клапана.

2.  Открывают вентиль 1, а затем 8 на импульсных линиях и последние проверяют на плотность.

3.  При включенной системе отопления регулятор должен поддерживать заданный перепад давлений между подающим и обратным трубопроводами сетевой воды, в противном случае подбирают дроссельные шайбы с отверстиями необходимых диаметров.

4.  Изменяя положение регулирующей заслонки на подающем трубопроводе, проверяют надежность срабатывания регулятора и контролируют давление в трубопроводах техническими манометрами. При этом регулятор должен устанавливать заданный перепад давлений.

Надежность работы регулятора расхода зависит от плотности импульсных линий, плотности и исправности сильфона и правильного подбора дроссельных шайб.

ент теплопроводности данного вещества, и для

других условий эти данные использовать

нельзя. Диапазоны значений X для различных

материалов приведены на рис. 8.1.

        Решить задачу, по примерам в лекции.

Общие сведения и понятия о котельных установках

Котельная установка (котельная) - это сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило - воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло- и пароснабжении или при местном теплоснабжении зданий.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Ее основные элементы - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства. В общем случае котельная установка представляет собой совокупность котла (котлов) и оборудования, включающего следующие устройства: подачи и сжигания топлива; очистки, химической подготовки и деаэрации воды; теплообменные аппараты различного назначения; насосы исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные - для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, расходуемой у потребителя и утечек в сетях, питательные для подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие); баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воздушный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовую трубу; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности сжигания топлива; тепловой щит или пульт управления.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.

Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают теплоту воде.

Виды топлив, их свойства и горение

Повышение мировых цен на традиционные источники энергии, политическая и экономическая нестабильность в странах, являющихся основными поставщиками нефти и газа на мировые рынки, заставляют ведущие страны искать другие виды источников энергии.

Эволюция конструкции двигателя внутреннего сгорания должна подчиняться современным требованиям норм охраны окружающей среды. Эти требования касаются как самих двигателей, так и применяемых в них топлив. Развитие топлив идет по следующим направлениям: совершенствование технологии переработки нефти; поиск новых добавок к топливам; применение альтернативных топлив.

Топливо должно отвечать следующим основным требованиям: при сгорании выделять возможно большее количество теплоты, сравнительно легко загораться, быть широко распространенным в природе, доступным для разработки, дешевым при использовании, сохранять свои свойства во время хранения. Очень важно, чтобы в процессе сгорания топлива не выделялись вещества, представляющие опасность для окружающей среды. Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемые угли, дрова, горючие сланцы, торф (табл. 1).

Таблица 1. Общая классификация топлив

Топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючая часть топлива представляет собой совокупность различных органических соединений, в которые входят углерод, водород, кислород, азот, сера. Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей, включающих золу и влагу.

Углерод С — основная горючая часть топлива, с увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для различных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 %.

Водород Н является второй по значимости горючей составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25 %. Однако при сгорании водорода выделяется в 4 раза больше теплоты, чем при сгорании углерода.

Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива колеблется в широких пределах: от 0,5 до 43 %.

Азот N не горит и так же, как кислород, является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива невелико и составляет 0,5…1,5 %.

Сера S, при сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты ее сгорания — сернистый SO2 и серный SО3 ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твердом топливе достигает 8 %, в нефти — от 0,1 до 4 %.

Зола А представляет собой негорючий твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация котельных установок и т.д. Топливо с высоким содержанием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии и т.д.

Примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранении, а вторые входят в его химический состав.

Топливо, которое поступает к потребителю в естественном состоянии и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушивают при температуре 105 °С для удаления влаги.

Состав газообразных топлив весьма разнообразен. Горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН4 и другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводородных атомов до 4 включительно.

Тепловую ценность газообразного топлива представляют метан и более тяжелые углеводороды. Окись углерода при сгорании выделяет незначительное количество тепла. Балластную часть газообразных топлив составляют негорючие газы, такие как азот N, углекислый СО3 и сернистый SО2, кислород О и пары воды Н2O. Теплота сгорания топлива является его основной качественной характеристикой. Для характеристики различных видов топлив служит удельная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг).

Для газообразных топлив применяется объемная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы объема (кДж/м3). Газообразное топливо оценивают также по молярной теплоте сгорания, т.е. по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль).

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее удельное количество теплоты сгорания определяют по формуле

 (1)

Низшее (рабочее) удельное количество теплоты сгорания топлива определяют по формуле

 (2)

В формулах (1) и (2) содержание химических элементов выражается в процентах.

Низшая, или рабочая, теплота сгорания Qн — это теплота сгорания, получаемая в практических условиях. Вычитаемое 25(9H + W) в формуле (2) представляет собой удельное количество теплоты, которое затрачивается на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива. Пар уносится с продуктами сгорания в атмосферу (9Н — число массовых частей воды, образующихся при сгорании одной массовой части водорода; Н, W — содержание в топливе соответственно водорода и воды, %).

В выражении (2) принято, что дымовые газы охлаждаются до +20 °С, оставаясь в газо- и парообразном состояниях. Значит, 1 кг пара при выносе в атмосферу будет забирать 2671 – (100 – 20) × 2,0096 = 2512 кДж/кг, где 2671 кДж/кг — количество теплоты, затрачиваемой на испарение 1 кг воды, (100 – 20) — условный перепад температуры паров воды, °С; 2,0096 кДж/(кг · град) — теплоемкость паров воды.

В автотрактротных двигателях продукты сгорания отводят из цилиндров при температурах, значительно более высоких, чем температура конденсации паров воды. Поэтому рабочей теплотой сгорания бензинов и других жидких топлив считают величину Qн. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, зависит от химического состава, а следовательно, от содержания в нем углерода и водорода.

Наибольшая массовая теплота сгорания водорода составляет 121 100 кДж/кг, углерода — 34 100 кДж/кг, поэтому парафиновые углеводороды с большим содержанием водорода имеют большую массовую теплоту сгорания по сравнению с ароматическими, содержащими меньше водорода. Объемная же теплота сгорания меньше у парафиновых углеводородов и больше у нафтеновых и ароматических, так как у них выше плотность.

Теплоту сгорания нефтепродуктов (кДж/кг) с достаточной степенью точности можно определить по формуле

 (3)

где К — коэффициент, зависящий от плотности нефтепродукта при 20 °С и определяемый по справочной таблице; ρ20 — относительная плотность нефтепродукта при 20 °С.

Основной характеристикой газообразных топлив является объемная теплота сгорания (кДж/м3), которая определяется делением молярного количества теплоты сгорания на объем 1 киломоля газа. 1 киломоль любого газа при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 м3.

Высшее объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете на сухую массу может быть определено по формуле

 (4)

а ее низшее объемное количество —

 (5)

Объемное количество теплоты сгорания рабочей массы газообразного топлива, содержащего водяные пары, вычисляют по формулам

(6)

или

(7)

где 0,805 — масса 1 м3 водяного пара, кг; W — содержание влаги в 1 м3 газа, кг.

Теплоту сгорания определяют также опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (калориметрах). Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в калориметре.

Для сравнения топлив введено понятие «условное топливо». За единицу такого топлива принято топливо, которое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 выделяет 29307,6 кДж. Чтобы перевести любое топливо в условное и потом сравнить его с другими, нужно теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного топлива. Полученное число представляет собой калорийный эквивалент данного топлива и показывает, во сколько раз реальное топливо выделяет больше или меньше теплоты по сравнению с условным (табл. 1).

Таблица 1

Теплота сгорания и калорийные эквиваленты различных видов топлива

Классификация топлив и их краткая характеристика.

Жидкое топливо производится преимущественно двумя способами: физическим и химическим. Первый протекает без нарушения структуры углеводородов, второй — с изменением ее. Физический способ, или прямая перегонка нефти, представляет собой процесс разделения ее на отдельные фракции, отличающиеся температурой кипения. Для этого нефть нагревают в нефтеперегонных установках до температуры 300…380 °С, а образовавшиеся пары отбирают и конденсируют по частям в колоннах. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел. Легкокипящие фракции в паровой фазе достигают верха колонны и вместе с испарившимся оросителем отводятся из колонны в конденсатор — газоотделитель. Более тяжелые топливные фракции отводят из колонны через холодильники и отбирают дистилляты: бензиновый (40…200 °С), керосиновый (140…300 °С), газойлевый (230…330 °С), соляровый (280…380 °С) и в остатке — мазут.

Жидкие топлива подразделяются на:

• карбюраторные (авиационные и автомобильные);
• реактивные;
• топлива для дизелей — дизельные топлива (зимние, летние, арктические), моторное топливо, соляровое масло;
• котельные (мазут флотский, топочный мазут).

Карбюраторные топлива состоят из низко- и среднекипящих фракций нефти (фракции, выкипающие при температурах 35…200 °С) и легких продуктов вторичной переработки. В качестве топлив для карбюраторных двигателей используются также сжиженные углеводородные газы.

Топлива для авиационных карбюраторных двигателей представляют собой смесь бензиновых фракций каталитического крекинга и риформинга (фракции, выкипающие при температурах 40…180 °С), алкилата и других высокооктановых компонентов с добавкой антидетонационных и антиокислительных присадок. Выпускаются авиационные бензины марок Б-100/130, Б-95/130, Б-91/115 (в числителе — октановое число, в знаменателе — сортность на богатой смеси). Октановое число определяется по моторному методу. Сортность — это тоже октановое число, оно оценивает прирост мощности по сравнению с чистым изооктаном.

Реактивные топлива (авиационные керосины) получают, как правило, прямой перегонкой нефти (фракции, выкипающие при температурах 200…300 °С). Выпускаются топлива для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета (Т-1, Т-2, ТС-1) и для сверхзвуковых самолетов (Т-6, Т-8).

В реактивном двигателе процесс сгорания топлива происходит иначе, чем в двигателях внутреннего сгорания. В реактивном двигателе топливо подается непрерывно, сгорание происходит в потоке воздуха, двигающегося со скоростью 135 м/с. Поэтому главными факторами для нормальной работы являются скорость и полнота сгорания топлива.

Дизельные топлива, применяемые в двигателях с воспламенением от сжатия, подразделяются на три группы:

• для быстроходных дизелей (ДЗ, ДЛ, ДС);
• для автотракторных, судовых дизелей (А, С);
• для среднеоборотных дизелей (ДТ, ДМ).

Дизельные топлива состоят из средних фракций нефти, перегоняющихся в пределах 180…350 °С, легких газойлей каталитического и термического крекинга и гидрокрекинга.

Теплотехнические характеристики топлива

К теплотехническим характеристикам топлива относятся теплофизические свойства, которые оказывают существенное влияние на процесс горения, эксплуатацию топок, камер сгорания и устройств для транспортировки, хранения и подготовки топлива к сжиганию: содержание горючих веществ, влаги, минеральных примесей, удельную теплоту сгорания, физико-механические характеристики (плотность, вязкость и др.). Для твёрдого топлива важными характеристиками являются также выход летучих веществ, свойства кокса и золы.

Состав и основные теплотехнические характеристики топлива приведены в Приложении (табл. П 1-4).

Влажность топлива

Влага топлива подразделяется на внешнюю (свободную) и внутреннюю (связанную).

Внешняя влага, в свою очередь, делится на поверхностную и капиллярную.

К поверхностной, или механически удерживаемой, влаге относят ту часть воды, которая, попадая в топливо из подземных и грунтовых вод или атмосферных осадков, осаждается на поверхности частиц топлива. Очевидно, что количество поверхностной влаги зависит от удельной поверхности частиц топлива (чем меньше размер кусков, тем больше удельная поверхность) и свойств этой поверхности, в первую очередь, её способности к смачиванию. Поэтому измельчение твёрдого топлива целесообразно лишь после транспортировки с места добычи к месту потребления. Количество поверхностной влаги обычно не превышает 3÷5 % массы топлива.

Капиллярная влага находится в капиллярах и порах частиц топлива. Поры с диаметром более 10-5 мм заполняются при прямом контакте с водой, в порах с меньшим размером возможна конденсация влаги из воздуха. Её содержание зависит от водоносности месторождения и атмосферных условий в период транспортировки и хранения топлива. С повышением степени углефикации (содержания углерода в топливе) количество капиллярной влаги уменьшается.

Внешняя влага может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой.

К внутренней относят коллоидную и гидратную влагу.

Коллоидная влага является составной частью органической массы топлива. Её количество зависит от вида топлива и его химического возраста. По мере увеличения степени углефикации содержание коллоидной влаги уменьшается. (В торфе и бурых углях 10÷15 %, в молодых каменных углях 3÷6 %, в старых углях и антрацитах 0,5÷1 %.). Коллоидная влага удаляется в процессе сушки при температуре 102÷105 ˚С.

Гидратная, или кристаллизационная, влага химически связана с минеральными примесями топлива и образует соединения минеральных веществ с водой, например, силикаты Al2O3·2SiO2·2H2O, Fe2O3·2SiO2·2H2O, сульфаты CaSO4·2H2O, MgSO4·2H2O (так называемые кристаллогидраты) и др. Содержание гидратной влаги в топливе обычно невелико. Она становится заметной лишь в многозольном топливе. При сушке топлива гидратная влага, в отличие от коллоидной, не испаряется. Она выделяется только при дегидратации в процессе термического разложения топлива при температуре 600 °С и выше.

Технической характеристикой, отражающей содержание в топливе влаги, является влажность Wrt . Она определяется по изменению массы топлива в результате сушки при температуре 102÷105 °С в стандартных условиях и выражается в процентах от начальной навески топлива. Так как при сушке вода из гидратов топлива не выделяется, то влажность меньше действительного содержания влаги W на величину кристаллогидратной воды Wгидр, т.е. Wrt = W–Wгидр. Однако это расхождение незначительно.

Состав и содержание минеральных примесей. Зольность топлива. Свойства золы топлива

Несгоревшая часть топлива образует очаговые остатки, которые, в зависимости от условий сжигания и от местонахождения в разных частях топки и газоходах, могут принимать форму шлака или золы (см. фото).

Зола – это твёрдый негорючий порошкообразный остаток, получившийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения.Различают летучую золу – пылевидныефракции, уносимые уходящими газами, и провал – более крупные фракции золы, покидающие зону горения через холодную воронку.

Шлак – это минеральная масса, подвергшаяся высокотемпературному нагреву, в результате которого она приобрела значительную прочность за счёт оплавления и спекания.

Зольность, как техническая характеристика, представляет собой массу золы, отнесённую, как правило, к сухой массе топлива и выраженную в процентах Аd.

Минеральные примеси, в зависимости от их происхождения, подразделяются на первичные, вторичные и третичные.

Состав и содержание первичных примесей, внесённых в топливо с исходным органическим углеобразующим материалом, и вторичных, которые попадают в топливо в процессе углеобразования, для каждого конкретного месторождения довольно стабильны. Они равномерно распределены в топливе, и их механическое отделение практически неосуществимо.

Третичные (внешние) минеральные примеси попадают в топливо в процессе разработки месторождения, добычи топлива, его транспортировки и хранения (пустая порода, земля, песок). Третичные примеси обычно неравномерно распределены в топливе и могут сравнительно легко отделяться от топлива (например, в процессе его обогащения).

Минеральные примеси уменьшают содержание горючих веществ в единице массы топлива и снижают удельную теплоту его сгорания.

Основными минеральными примесями твёрдых топлив являются:

- кремнезём SiO2 (до 50 %);

• глинозём Al2O3 (до 25 %);
• оксиды Na2O, K2O, CaO, MgO, Fe2O3, TiO2 (до 25 %);
• сульфиды (преимущественно FeS2);
• карбонаты CaCO3, MgCO3, FeCO3;
• сульфаты CaSO4, MgSO4;
• фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

Помимо перечисленных основных компонентов, в минеральных примесях твердого топлива могут присутствовать соединения многих редких элементов: германия, кобальта, никеля, палладия, платины, урана и др.

При сжигании топлива многие компоненты его минеральных примесей подвергаются химическим преобразованиям, в результате которых масса и состав образующейся золы всегда отличаются от массы и состава исходных минеральных примесей топлива:

• При температуре выше 500÷600 °С протекают реакции дегидратации, т. е. происходит выделение гидратной влаги из гипса, алюмосиликатов (глин), оксидов и гидроксидов железа с образованием Аl2О3, SiO2, Fe2О3 и Н2O, например:

Аl2О3∙SiO2∙2Н2O → Аl2О3 + SiO2 + 2Н2O ,

• В интервале температур 500÷900 °С происходит разложение карбонатов с выделением диоксида углерода:

Са(Мg, Fе)СО3 → Са (Мg, Fе)O+СО2.

• При 400÷500 °С начинается окисление дисульфида железа:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.

• Разложение сульфата железа протекает при 850÷950 °С:

2FeSO4 → 2FeO + 2SO2 + O2.

• При температуре выше 400 °С начинается окисление соединений Fe+2 до Fe+3:

4FеО + О2 = 2Fе2О3.

• Улетучивание хлоридов и соединений щелочных металлов происходит при температуре выше 500 °С.
• В интервале температур 700÷1000 °С происходит образование сульфата кальция:

2СаО + 2SO2 + О2 = 2СаSO4.

Эта реакция протекает по мере выделения SO2 при сгорании органической серы и окислении дисульфида железа (железного колчедана), а также разложения карбонатов, содержащихся в минеральной массе углей. Именно благодаря протеканию этой реакции возможно эффективное связывание оксидов серы в топках с низкотемпературным кипящим слоем. При температурах выше 1000 °С начинается диссоциация сульфатов.

При рассмотрении реакций, происходящих в процессе преобразования минеральных примесей топлива, можно сделать следующие общие выводы:

1. В процессе горения химический состав минеральной части топлива значительно изменяется, поэтому масса и состав золы никогда не равны массе и составу минеральных веществ.

2. Среди реакций, протекающих в минеральной массе при озолении углей, преобладают реакции разложения, поэтому зольность угля почти всегда получается несколько меньше, чем содержание минеральной массы.

3. Каждая из приведенных реакций протекает на определенных стадиях озоления угля и в определенном интервале температур. В соответствии с этим масса и состав золы, полученной при озолении одного и того же угля при разных температурах (например, 800 и 1500 °С), будут значительно различаться.

При сжигании твёрдого многозольного топлива возникают затруднения, обусловленные плавлением золы и образованием шлака, обладающего определённой плавкостью и вязкостью, в зависимости от состава золы и температурных условий. В состав минеральных примесей твёрдого топлива входят вещества, имеющие как сравнительно низкую температуру плавления 800÷1000 °С (оксиды натрия и калия), так и очень высокую – 1600÷2500 °С (оксиды магния и алюминия). Однако плавкость золы зависит не только от температуры плавления отдельных компонентов, но и от cpеды, в котоpой она нагpеваетcя. В полувосcтановительной cpеде, котоpая не cодеpжит киcлоpод, зато включает в себя воccтановительные компоненты (CО, Н2, CН4) и CО2, темпеpатуpа плавления золы топлива на 100÷300 °C ниже, чем в окиcлительной cpеде, cодеpжащей cвободный киcлоpод.

Cтандаpтный метод опpеделения xаpактеpиcтик плавкоcти золы (рис.2) заключаетcя в поcтепенном нагpевании в полувоccтановительной cpеде cпециально cпpеccованной из золы тpёxгpанной пиpамидки выcотой 13 мм, в основании которой лежит pавноcтоpонний тpеугольник cо cтоpоной, pавной 6 мм, пpичём одна из гpаней пирамидки пеpпендикуляpна к её оcнованию. В пpоцеccе нагpевания фикcиpуют xаpактеpные значения темпеpатуp в печи, пpи котоpыx пиpамидка изменяет геометpичеcкие фоpмы:

tА  – темпеpатуpа, пpи котоpой веpшина пиpамидки начинает изгибатьcя или закpуглятьcя, – темпеpатуpа начала дефоpмации;

tВ – веpшина пиpамидки наклоняетcя до оcнования, или пиpамидка пpевpащаетcя в шаp, – темпеpатуpа начала pазмягчения;

tС – пиpамидка pаcтекаетcя по подcтавке – темпеpатуpа начала жидкоплавкого cоcтояния.

Рис. 2. Характерные конфигурации образца при определении плавкости золы:

1 – до нагрева; 2 – начало деформации; 3 – размягчение;

4 – жидкоплавкое состояние

Темпеpатуpы плавкоcти золы пpиводятcя в таблицаx теxничеcкиx xаpактеpиcтик топлив в cпpавочной литеpатуpе.

В завиcимоcти от темпеpатуpы начала жидкоплавкого cоcтояния tC, вcе твёpдые топлива pазделяютcя на тpи гpуппы:

• c легкоплавкой золой (tС < 1350 °C);
• c золой cpедней плавкоcти (tС = 1350÷1450 °C);
• c тугоплавкой золой (tС > 1450 °C).

Большинcтво энеpгетичеcкиx топлив имеют легкоплавкую золу.

Xаpактеpной являетcя также темпеpатуpа, пpи котоpой вcе компоненты шлака полноcтью pаcплавляютcя, и в нём отcутcтвует твёpдая фаза (темпеpатуpа иcтинно жидкого cоcтояния, или кpитичеcкая). Пpи такой темпеpатуpе шлак подчиняетcя законам течения жидкоcти.

На pаботу топки (в первую очередь, на стойкость огнеупоpныx матеpиалов) cущеcтвенное влияние оказывают xимичеcкие cвойcтва золы и шлака топлива.

Окcиды, вxодящие в cоcтав золы, можно pазделить на тpи гpуппы:

• киcлые – SiO2, TiO2, P2O5;
• оcновные – CaO, MgO, FeO, K2O, Na2O;
• амфотеpные – Al2O3, Fe2O3.

Для амфотеpныx окcидов xаpактеpно то, что в cплаваx, cодеpжащиx пpеобладающее количеcтво оcновныx окcидов, они ведут cебя как киcлые, и наобоpот.

Зола и шлак по xимичеcким cвойcтвам pазделяютcя на киcлые, оcновные и нейтpальные.

К киcлым отноcятcя зола и шлак, у котоpыx отношение cодеpжания киcлыx окcидов к cуммаpному cодеpжанию оcновныx и амфотеpныx окcидов, называемое киcлотноcтью, К > 1.

К оcновным – еcли отношение cодеpжания оcновныx окcидов к cуммаpному cодеpжанию киcлыx и амфотеpныx, называемое оcновноcтью, О > 1.

Зола и шлак, не удовлетвоpяющие этим уcловиям, являютcя нейтpальными.

Расплавленный шлак не только осложняет эксплуатацию слоевых и факельных топок, загрязняет конвективные поверхности нагрева котла, снижает интенсивность теплообмена, но может и разрушать огнеупорную обмуровку.

Огнеупоpные матеpиалы по cвоим xимичеcким cвойcтвам так же, как и зола и шлак, делятcя на киcлые, оcновные и нейтpальные. Еcли футеpовка топки выполнена из огнеупоpного матеpиала, xимичеcкая cpеда котоpого не cоответcтвует xимичеcким cвойcтвам золы и шлака cжигаемого топлива (напpимеp, огнеупоpный матеpиал киcлый, а зола и шлак – оcновные, или наобоpот), то между футеpовкой и золой (шлаком) может пpоизойти xимичеcкое взаимодейcтвие, вызывающее интенcивное pазpушение футеpовки. Поэтому пpи выбоpе матеpиала для футеpовки cтен топки необxодимо учитывать xимичеcкие cвойcтва золы топлива, котоpое пpедполагаетcя cжигать.

Определение теплоты сгорания топлива

Наиболее точно теплота сгорания твёрдого и жидкого топлива определяется экспериментально в специальном приборе (рис.3) – калориметрической бомбе.

В геpметичеcки закpываемом cтальном цилиндpичеcком cоcуде (калоpиметpичеcкой бомбе) cжигают навеcку топлива в cpеде киcлоpода, подаваемого под давлением 2,5÷3 МПа. Количеcтво теплоты, выделяемой пpи cжигании топлива, опpеделяетcя по повышению темпеpатуpы воды в калоpиметpе, в котоpый помещена калоpиметpичеcкая бомба, и чаcтей cамого калоpиметpа c учётом иx водяного эквивалента. Темпеpатуpа воды в калоpиметpе близка к темпеpатуpе окpужающего воздуxа (20 °C), поэтому водяной паp, обpазующийcя в бомбе пpи cжигании топлива, пpактичеcки полноcтью конденcиpуетcя. Cледовательно, тепловой эффект, измеpяемый c помощью калоpиметpа, должен cоответcтвовать выcшей теплоте cгоpания. Однако, определённая таким образом теплота сгорания в бомбе Qб превышает высшую теплоту сгорания Qs, так как при сгорании топлива в бомбе в среде кислорода протекают экзотермические реакции образования серной и азотной кислоты, которые в топочных условиях не имеют места. Поэтому пpи pаcчёте теплоты cгоpания cледует ввеcти cоответcтвующие попpавки.

Рис. 3. Калориметрическая установка

1 – калориметрическая бомба; 2 – калориметр; 3 – наружная оболочка;

4 – термометр; 5 – крышка; 6 – мешалка с приводом

С учётом кислотообразования при сжигании навески аналитической массы топлива:

где β – коэффициент, учитывающий теплоту образования серной кислоты при окислении продуктов сгоревшей в бомбе серы отSO2 до SO3 и растворении серного ангидрида в воде. Численно этот коэффициент равен 94 кДж на 1 % серы; α – коэффициент, учитывающий теплоту образования азотной кислоты, и равный: 0,001 для тощих углей, антрацита и жидкого топлива и 0,0015 – для других углей, сланцев и торфа.

При отсутствии опытных данных теплота сгорания твёрдого и жидкого топлива при заданном элементном составе топлива может быть приближённо рассчитана по формуле Д.И.Менделеева:

где – соответственно, содержание углерода, водорода, летучей серы, кислорода и влаги в рабочей массе топлива, %.

Теплоту сгорания газообразного топлива определяют экспериментально в газовом калориметре и относят к 1 м3 сухого газа при нормальных физических условиях.

При отсутствии опытных данных она определяется как сумма произведений объёмных долей отдельных горючих газов на теплоту их сгорания (МДж/м3):

(1)

где  – теплота сгорания отдельных газов (табл.2), МДж/м3, СmHn, CO, H2, H2S – объёмные доли соответствующих компонентов, %.

Подставив значения теплоты сгорания отдельных компонентов в формулу (1), можно получить универсальную формулу для расчёта теплоты сгорания газообразного топлива (МДж/м3):

При сжигании смеси двух видов топлива теплота сгорания смеси определяется по формуле:

где m1 – массовая доля топлива с теплотворной способностью .

Таблица 2

Теплота сгорания горючих газов

Выход летучих веществ и свойства коксового остатка

При нагревании твёрдого топлива происходит разложение термически нестойких молекул органических веществ горючей массы и углеводородистых соединений. Выделяющиеся при этом горючие (CH4, CO, H2) и негорючие (CO2, O2, N2, SO2 и др.) газы называются летучими веществами. (Водяной пар, выделяющийся при испарении влаги топлива, в состав летучих веществ не входит). Летучие вещества в топливе не содержатся, а образуются в результате его термического разложения. Поэтому говорят о выходе летучих веществ, а не об их содержании в топливе.

В пpоцеccе теpмичеcкого pазложения в летучие вещеcтва пеpеxодит не веcь углеpод топлива. Оcтавшийcя поcле теpмичеcкого pазложения углеpод вмеcте c минеpальными пpимеcями топлива обpазует твёpдый нелетучий оcтаток, называемый кокcом.

Так как количеcтво выделяющиxcя летучиx вещеcтв завиcит от темпеpатуpы и пpодолжительноcти нагpева, то пpи опpеделении выxода летучиx вещеcтв темпеpатуpный pежим, уcловия и пpодолжительноcть нагpева топлива cтpого pегламентиpованы.

Пpи экспериментальном опpеделении выxода летучиx вещеcтв навеcку аналитичеcкой (воздушно-cуxой) пpобы топлива выдеpживают в муфельной печи без доcтупа воздуxа пpи темпеpатуpе 830÷870 °C. Выход летучих - уменьшение маccы пpобы топлива (за вычетом cодеpжащейcя в ней влаги) - принято относить к горючей массе топлива и обозначать Vdaf, % (от англ. volatile – летучий).

По величине выхода летучих все топлива делятся на две группы: пламенные и тощие.

Темпеpатуpа, пpи котоpой начинаетcя выxод летучиx вещеcтв, а также иx количеcтво завиcят от xимичеcкого возpаcта топлива. По меpе увеличения степени углефикации топлива выход летучиx вещеcтв уменьшаетcя, а темпеpатуpа начала иx выxода увеличиваетcя (табл. 3). Пpи этом вcледcтвие уменьшения количеcтва инеpтныx газов теплота cгоpания летучиx вещеcтв увеличиваетcя.

Выход летучих веществ и их состав оказывают существенное влияние на процесс воспламенения и горения. Топливо с высоким выходом летучих (торф, бурые угли, молодые каменные угли) при нагревании быстро выделяет значительное количество горючих газообразных веществ, которые легко воспламеняются и быстро сгорают. Оставшийся после выделения летучих кокс такого топлива содержит относительно малое количество углерода, поэтому горение его протекает также сравнительно быстро и с малыми потерями теплоты от недожога. Наоборот, топливо с малым выходом летучих (антрацит, тощие угли) воспламеняется значительно труднее, а горение его коксового остатка протекает более продолжительное время.

Таблица 3

Выход и температура начала выхода летучих веществ

Выход летучих веществ оказывает определённое влияние и на механические свойства коксового остатка. Топливо с очень высоким или малым выходом летучих веществ образует механически непрочный, легко рассыпающийся кокс. Это затрудняет слоевое сжигание такого топлива вследствие образования порошкообразного слоя кокса, плохо продуваемого воздухом.

При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние или расплавляются, коксовый остаток может спекаться и вспучиваться. Способность топлива при термическом разложении без доступа воздуха переходить в пластическое состояние и образовывать относительно прочный кокс называется спекаемостью.

Процесс термического разложения топлива протекает в несколько стадий. При нагревании некоторых углей выше 300 °С  без доcтупа воздуха из них выделяются napoгазовые и  жидкие продукты, происходит размягчение частиц угля, благодаря чему они становятся пластичными (переход в пластическое состояние). При температуре 500÷550 °С  пластическая масса затвердевает, и образуется спекшийся твердый остаток – полукокс. При дальнейшем увеличении температуры (до 1000 °С и более) в полукоксе снижается содержание кислорода, водорода, серы, а содержание углерода возрастает. Полукокс переходит в кокс с повышенной твёрдостью и прочностью.

Коксуемость – свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленными крупностью и прочностью кусков.

В зависимости от внешнего вида и прочности, различают следующие разновидности коксового остатка:

• порошкообразный;
• слипшийся;
• слабоспёкшийся;
• спёкшийся, не сплавленный;
• сплавленный, не вспученный;
• сплавленный, вспученный;
• сплавленный, сильно вспученный.

+Угли, образующие спёкшийся и сплавленный коксовый остаток, являются ценным технологическим топливом и используются, в первую очередь, для производства металлургического кокса (коксующиеся угли).

Топочные устройства КОТЛОВ. 

Топочным устройством или топкой является часть котельного агрегата, предназначенная для осуществления термоокислительных процессов (сжигания топлива) с целью получения высокотемпературных продуктов сгорания. В то же время топка служит теплообменным устройством, в котором происходит теплоотдача излучением из зоны горения радиационным поверхностям нагрева.

По способу сжигания топлива все топочные устройства делятся на слоевые и камерные (вихревые). В слоевых топках осуществляется сжигание твердого кускового топлива в слое, лежащем на соответствующей опорной поверхности (см. рис. 1.1).

По состоянию слоя топлива топки подразделяют на слоевые с плотными взвешенным слоем - кипящим слоем (ТКС).

В камерных факельных топках производится сжигание газообразного, жидкого и пылевидного твердого топлива с помощью специальных распыливающих устройств иначе называемых горелочными устройствами (ГУ).

Сжигание топлива в вихревых топках осуществляется во взвешенном состоянии топлива, которое поддерживается за сет формы камеры и аэродимамики процесса.

Слоевые топки, для сжигания разнообразных видов твердого топлива разделяются на внутренние и выносные, с горизонтальными и наклонными колосниковыми решетками.

Топки, расположенные внутри обмуровки котла, называются внутренними.

Рис. 1.1. Способы сжигания топлива: а - слоевой (плотный слой); б - слоевой (взвешенный слой); в - камерный в факеле; г - камерный вихревой. 1 - коллектор; 2 - экранные трубы; 3 - колосниковая решетка; 4 - погружные поверхности нагрева; 5 - воздухораспределительная решетка (ВРР); 6 - горелочное устройство; 7 - шнек подачи топлива

Топки, расположенные за пределами обмуровки и дополнительно пристроенные к котлу, называются выносными.

В зависимости от способа подачи топлива и организации обслуживания слоевые топки подразделяются на ручные, полумеханические и механические.

Ручными называются топки у которых все три операции - подача топлива в топку, его шуровка и удаление шлака (очаговых остатков) из топки - выполняются кочегаром вручную. Эти топки имеют, как правило, горизонтальную колосниковую решетку. Такие топки обычно называют - топки с ручной колосниковой решеткой (РКР).

Полумеханическими называют топки, в которых механизированы одна или две операции. К таким топкам относятся шахтных с наклонными колосниковыми решетками, где топливо, загруженное в топку вручную, по мере прогорания нижних слоев перемещается по наклонным колосникам под действием собственной массы. Топки с механическими или пневмомеханическими забрасывателями с поворотными колосниками (ПЗ-РПК).

Механическими называются топки, в которых все три операции механизированы. К ним относятся топки: с подвижным колосниковым полотном (ЛЦР - ленточная цепная решетка, ЧЦР - чешуйчатая цепная решетка, БЦР - безпровальная цепная решетка) и неподвижным слоем; с подвижным слоем и неподвижным колосниковым полотном – топки с шурующей планкой (ТШП) и др.

Топки для сжигания твердого топлива

В плотном слое

Конструкции топок весьма разнообразны, и каждая из них соответствует определенному способу сжигания твердого топлива и его расходу.

Топки для сжигания твердого в слое делятся на три класса:

1 - с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива;

2 - с неподвижной колосниковой решеткой и подвижынм слем топлива;

3 - с подвидной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива.

К первому классу относятся топки с ручной горизонтальной колосниковой решеткой (РКР) и топки сзaбpacывaтелем. На РКР можно сжигать, все виды твердого топлива, но из-за ручного обслуживания ее применение ограничено расходом топлива, не более 250 кг/ч, с котлами тепловой мощностью до 1 МВт.

Полумеханические топки с забрасывателем с неподвижным слоем и решеткой могут быть использованы с котлами тепловой мощностью до 4 МВт.

Свежее топливо непрерывно подается плунжерным забрасывателем на поверхность колосниковой решетки. Забрасыватель доплнительно оборудуется боковыми соплами подачи воздуха. С помощь поворотных колосников шлак сбрасывается в шлаковый бункер котла. Шуровка, подрезка топлива и сброс шлака в бункер осуществляются вручную кочегаром.

Ко второму классу относятся топки с шурующей планкой (ТШП) и топки с наклонной колосниковой решеткой. В ТШП топливо перемещяется по колосниковой решетке специальной планкой особой формы, совершающей возвратно-поступательное движение. Применяют их для сжигания каменных и бурых углей с котлами тепловой мощностью до 1,2 МВт.

В топках с наклонной колосниковой решеткой свежее топливо, загруженное в топку сверху, по мере сгорания под действием силы тяжести сползает в нижнюю часть топки, создавая возможность для поступления в топку свежего топлива. Такие топки применяют для сжигания древесных отходов и торфа под котлами мощностью до 1,5 МВт.

Скоростные шахтные топки с вертикальным зеркалом горения системы В. В. Померанцева используются для сжигания древесных отходов, кускового торфа с котлами тепловой мощностью от 1,5 до 40 МВт.

Слоевые топки с движущейся колосниковой peшеткой перемещающей лежащий ней слой топлива. К ним относятся топки с механической цепной решеткой прямого и обратного хода. Цепная решетка прямого хода движется от пердней стенки топки в сторону - задней стенки, топливо на колосниковую решетку поступает самотеком.

Цепная решетка обратного хода движется от задней стенки топки к ее передней стенке, топливо на колосниковую решетку подается забрасывателем.

Топки с цепными колосниковыми решетками применяют для сжигания каменных, бурых углей и антрацитов под котлами тепловой мощностью от 2 до 20 МВт.

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива. Топка с ручной колосниковой решеткой 4 (рис. 1.2) состоит из чугунных колосников 4, опираюшпхся на подколосниковые балки.

Топливо в топку подается через загрузочное отверстие 2, закрываемое дверцей, а воздух, необходимый для горения топлива, подводится через отверстие 3 и регулируется поворотной заслонкой. Поступление воздуха в топку осуществляется за счет разрежния, создаваемого дымососом или дымовой трубой.

 Рис. 1.2 . Слоевая топка с ручной колосниковой решеткой:

1 - ограждение (обмуровка); 2 - загрузочное окно (дверца); 3 - дверца подачи дутьевого воздуха; 4 - колосники; 5 - шлако-золовой бункер топки; 6 - слой топлива; 7 - автоматический шлаковый затвор

Механизированная подача топлива на неподвижный слой осуществляется тремя типами забрасывателей: механическими, пневматическими и пневмомеханическими. Регулирование подачи топлива осуществляется специальными устройствами - плунжерами.

В качестве механических забрасывателей применяют метательные лопатки, пневматическое забрасывание производится сжатым воздухом.

Наибольшее распространение получили полумеханические топки с пневмпмеханическими забрасывателями типа ПМЗ или плунжерными забрасывателями (ПЗ) с поворотной колосниковой решеткой РПК2.

Топка с ПЗ (рис. 1.3) состоит из неподвижной колосниковой решетки 4 типа РПК с чугунными поворотными колосниками, набранными в несколько рядов и насаженными на валы прямоугольного сечения. При повороте вала с помощью рукоятки на угол до 30° в каждую сторону ряды колосников наклоняются и через образовавшиеся между ними просветы шлак с решетки просыпается в шлаковый бункер 4.

Полотно решетки набирается из узких ребристых колосников «беспровального профиля». Колосниковое полотно решетки собирается из одно-, двух- и трехсекций шириной от 900 до 2700 мм и длиной от 915 до 3660 мм и может быть использовано в топках с ручной загрузкой, так и в топках с механизиринавной подачей топлива.

Заброс топлива в топку осуществляется плунжерным забрасывателем 2, состоящим из бросающего, питательного, плунжерного механизмов 2а и редуктора, смонтированных в общем корпусе, который крепится к каркасу котла.

Бросающий механизм питателя выполнен в виде барабана с чугунными лопатками и ротора, вращающегося в подшипниках качения, корпуса которых оборудованы водяным охлаждением. Плунжерный механизм сталкивает определенные порции топлива на ротор, который своими лопатками разбрасывает его по колосниковой решетке, одновременно мелкие фракции развеиваются воздухом, поступающим в забрасыватель.

Рис. 1.3. Полумеханическая топкм ПЗ-РПК2: 1 - топливный бункер; 2 - плунжерный збрасыватель; 2а - плунжер; 3 - дверца подачи дутьевого воздуха; 4 - колосники (ручные поворотные); 5 - шлако-золовой бункер топки; 6 - слой топлива; 7 - автоматический шлаковый затвор

Величина порций топлива, поступающих из угольного бункера котла, регулируется передвижным ползуном, т.е. изменением хода плунжера. Дальность заброса топлива регулируется передвижением плиты, являющейся основаннем плунжера питательного механизма.

Забрасыватель работает от электродвигателя через трехступенчатую передачу, позволяющую регулировать частоту вращения: 500, 600 и 700 об/мин.

Со стороны фронтовых плит устанавливают воздуховоды, подводящие воздух к забрасывателям, некоторое количество воздуха подается через боковые сопла. Из всего количества воздуха, необходимого для горения, 80-85 % его подастся через воздуховоды 3 под колосниковую решетку.

Для нормальной работы топки с пневмомеханическими забрасывателями топлива рекомендуемоеи давление воздуха под колосниковой решеткой 500-800 Па (в зависимости от топлива). Давление воздуха перед соплами забрасывателя до 500 Па.

Полумеханические топки с ПЗ предназначены для слоевого сжигания каменных и бурых углей различных марок с выходом летучих веществ выше 20 % и содержанием мелочи (до 6 мм) до 60 %. Максимальный размер кусков топлива 30-40 мм. Комплектуются с котлами типа ДКВР и КЕ.

При сжигании топлива с малым выходом летучих (антрацита) наилучшие результаты достигаются при добавках 20-30 % каменных или бурых углей.

Для снижения уноса мелкого топлива топки ПЗ снабжают устройствами для возврата уноса в топку.

Процесс горения твердого топлива на горизонтальной колосниковой решетке состоит из следующих фаз: подсушки топлива, выделения, воспламенения и горения летучих веществ (надслойное пламя), зажигания и горения кокса топлива, выжигания шлака и образования шлаковой подушки. Воздух, проходящий через слой топлива, лежащего на колосниковой решетке, должен обеспечить как полное сжигание кокса в слое, так и полное выгорание летучих над слоем топлива. Для этого поддерживают на колосниковой решетке определенную толщину слоя топлива, которая зависит от качества и вида сжигаемого топлива: для бурых углей 300-600 мм, каменных углей и антрацита 80-250 мм.

Топливо, загруженное на решетку, поджигается нижележащим раскаленным слоем. Этот процесс называется нижним зажиганием. Одновременно загруженное топливо поджигается сверху пламенем горящих в топочном пространстве летучих веществ. Такое зажигание называется верхним.

Следовательно, в топках с неподвижным слоем топливо зажигается как снизу, так и сверху, это позволяет эффективно сжигать в этих топках топливо с высокой влажностью.

Во избежание зашлаковывания отверстий в колосниках расплавленной золой на решетке обязательно оставляют слой шлака толщиной до 50 мм, это обеспечивает нормальную работу колосниковой решетки. Шлаковый слой предохраняет колосники от действия высокой температуры, развивающейся в слое горящего кокса, а при сжигании топлива с легкоплавкой золой предотвращают покрытие решетки расплавленным шлаком.

По мере работы на колосниковой решетке накапливается шлак. С увеличением толщины шлаковой подушки увеличивается сопротивление прохождению воздуха, в результате ухудшается горение. Для улучшения прохождения воздуха через слой шлака последний подрезают или подламывают ломом или резаком. Когда слой шлака увеличится, и подрезка не улучшает горения, приступают к чистке колосниковой решетке.

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и подвижным слоем топлива. Топка с шурующей планкой (ТШП). Топка ТПШ (см. рис. 1.4) снабжена колосниковой решеткой, составленной из отдельных плитчатых беспровальных колосников. Топливо поступает из топливного бункера 5 на колосниковую решетку 7 и постепенно перемещается по ней шурующей трехгранной планкой 4 в сторону дожигательной решетки 9. Планка приводится в движение шарнирными цепями-штангами 3, которые при обратном ходе планки в сторону бункера убираются в трубу.

Рис. 1.4. Топка с шурующей планкой (ТШП): 1 - обмуровка котла; 2 - топливный бункер; 3 - направляющие штанги; 4 - планка; 5 - колосники; 6 - воздуховоды для подачи дутьевого воздуха; 7 - шлако-золовые бункера; 8 - слой движущегося топлива

Шарнирные цепи штанги 3 приводятся в движение от электродвигателя через редуктор. Решетка с шурующей планкой отличается периодической подачей топлива на неподвижное колосниковое полотно; одновременно осуществляется механизированная шуровка слоя топлива.

Сделав несколько неполных ходов, планка делает полный ход до конца решетки, при этом сбрасывает шлак в бункер или на дожигательную решетку с опрокидывающимися колосниками.

В передней части решетки имеется корыто, образующее поджигающий очаг из горящего топлива. Планка захватывает часть горящего топлива, в результате происходит более быстрое зажигание топлива, лежащего на решетке.

Передняя грань шурующей планки 4, обращенная к шлаковому бункеру, расположена под углом 40-55° к горизонтали, а грань, обращенная в сторону бункера с топливом, имеет угол 15-16°. Вследствие такого расположения граней топливо из бункера, при каждом ходе планки, поступает в топку в большем количестве, а при обратном движении увлекается в меньшем количестве.

Во время хода планки вперед все топливо, лежащее на решетке, получает волнообразное движение, способствующее его перемешиванию, а во время обратного хода планки часть раскаленного топлива с середины решетки перемещается к фронту, вследствие чего улучшатются условия воспламенения угля.

К достоинствам ТПШ можно отнести: возможность работы на рядовых углях; нечувствительность к сильной спекаемости углей; нечувствительность к повышенной зольности топлива и автоматическое удаление шлаков; кроме того, шурующее действие планки препятствует образованию прогаров и кратеров. ТПШ относится к механизированым топкам.

Шахтная топка с наклонным зеркалом горения для сжигания кускового торфа (рис. 1.5) состоит из шахты 3, в которую загружают топливо из бункера 1. Ниже установлены наклонные колосники 4.

Рис. 1.5. Топка с наклонными колосниками для сжигания торфа и древесных отходов: 1 - топливный бункер; 2- топливный затвор; 3 - шахта; 4 - наклонные колосники; 5 - верхние горизонтальные колосники; 6 - нижние горизонтальные колосники; 7 - смотровые дверцы; 8 - воздухоподводящие окна; 9 - зонные перегородки; 10 - поворотные заслонки

Наклонная ступенчатая решетка перекрывается сводом 3 так, чтобы тепловые лучи отражались от него на верхнюю часть решетки, куда поступает свежее топливо. Зеркалом горения в шахтной топке является площадь, идущая от отсечного свода, расположенного в конце загрузочной горловины, до конца нижнего ряда горизонтальных колосников.

В топках с наклонным подвижным слоем горение топлива происходит в три фазы: на верхних наклонных колосниках протекает первая фаза (зажигание слоя), на нижних наклонных колосниках - вторая фаза (горение слоя) и на горизонтальных колосниках - третья фаза (дожигание).

Подвод воздуха на горение осуществляется по зонам в разных количествах, для этого пространство под колосниками разделено горизонтальными перегородками 9 на три зоны; каждая зона снабжена дверцами 7, для подвода воздуха в стенках топки сделаны воздухоподводящие окна 8, а для сброса золы из каждой зоны имеются заслонки 10.

Воздух на горение подается вентилятором под напором 400-500 Па. Шахта топки должна быть заполнена топливом, чтобы оно успевало хорошо подсохнуть. Под своей массой топливо постепенно (по мере сушки) спускается на наклонные колосники 4, где воспламеняется. На горизонтальных колосниках 5 и 6 топливо догорает.

Скоростная топка ЦКТИ системы Померанцева предназначена для сжигания древестных отходов с размером кусков не более 100 мм и влажностью не свыше 60 %, с содержанием опилок до 30 % (см. рис. 1.6).

Топливо в топку поступает из бункера 1 по шахте 3, разделенной по высоте на две части пережимом 4.

 Стенка шахты, обращенная к котлу, выполнена в виде решетки 6, состоящей из труб переднего топочного экрана, к которым через одну трубу приварены плавники (шипы) 7, предназначенные для уменьшения выноса мелких фракций топлива в топочную камеру. В верхней части шахты 3 пpoиcxoдит подсушка топлива, а в нижней - его горение.

Рис. 1.6. Скорстная топка системы Померанцева с вертикальным зералом горения: 1 - топливный бункер; 2 - автроматический затвор; 3 - шахта; 4 - пережим; 5 - порожек; 6 - трубная решетка; 7 - плавники; 8 - каналы подвода воздуха

Первичный воздух поступает в слой топлива по воздухопроводу 8, а вторичный в количестве 20-30 % по воздуховоду 9. Продукты сгорения выходят в топочную камеру между трубами решетки 6. При проходе топлива из верхней части шахты в нижную оно задерживаются в месте пережима шахты и порожка 5, обеспечивающих достаточную пористость слоя, необходимую для хорошего горения.

Топки с движущейся колосниковой решеткой. Топка с цепной решеткой прямого хода ЧЦР (рис. 1.7) состоит из беспровальных фасонных колосников чешуйчатой формы, которые монтируют на цепях специальной конструкции, надеваемых на два зубчатых колеса (звездочки) 3, насаженных на валы, укрепленные в раме решетки. Решетка приводится в движение электродвигателем через редуктор, коробку скоростей и передний вал. Колосниковое полотно движется от передней стенки топки к задней.

Топливо из бункера подается по загрузочному рукаву и под действием силы тяжести поступает на цепную решетку 4. Толщину слоя топлива на решетке регулируют шибером, расположенным в загрузочном рукаве. Скорость движения полотна зависит от качества и вида топлива и колеблется от 2 м/ч (для антрацитов) до 30 м/ч (для торфа и древесных отходов).

Особенностями работы цепной решетки являются горизонтальное расположение слоя топлива и его непрерывное движение вместе с решеткой, обеспечивающее лучшее распределение фаз процесса горения топлива.

Беспровальность колосниковой решетки достигается тем, что нижняя часть колосников выполнена в виде чашки, в которой во время движения решетки скапливается незначительное количество провала, препятствующее его дальнейшему поступлению. Вверху колосники несколько перекрывают друг друга по длине полотна.

Свежее топливо, поступающее на решетку, укладывается на чистые и холодные колосники, поэтому в этих топках происходит верхнее зажигание слоя в результате восприятия тепла от уже горящего топлива, раскаленных сводов, стен и продуктов горения топлива. Процесс розжига слоя идет сверху вниз и спереди назад от передней стенки топки к задней.

Рис. 1.7. Механизированная топка с цепной решеткой прямого хода: 1 - обмуровка топки; 2 - топливный бункер котла; 3 - ведущая звездочка колосникового полотна; 4 - цепная решетка (колосниковое полотно); 5 - каналы подвода воздуха на горение; 6 - золовые бункеры; 7 - шлаковый бункер; 8 - шлакосниматель; 9 - слой горящего топлива

Для очищения решетки и с целью улучшения выжига топлива в конце решетки устанавливают шлакосниматель 8. Зонные воздушные каналы подвода воздуха располагаются под верхним полотном решетки и отделены друг от друга герметическими металлическими перегородками

Процесс горения топлива в топке с цепной решеткой прямого хода изображен на схеме (рис. 1.8). Топливо, перемещаясь вместе с полотном решетки, проходит все стадии горения, а в конце решетки остается шлак.

Рис. 1.8. Схема выгорания топлива на цепной решетке прямого хода: 1 - свежее топливо; 2 - зона прогрева, сушки, испарения влаги и газификации топлива; 3 - окислительная зона, горение углерода; 4 - восстановительная зона, горение углерода; 5 - зона выжигания шлака; 6 - шлак

Топка с цепной решеткой обратного хода (рис. 1.9) состоит из ленточного колосникового полотна ЛЦР или беспровального полотна БЦР. Эти топки снабжают механическими забрасывателями топлива 3 или пневмомеханическими типа ПЗ. Полотно решетки движется от задней стенки топки к передней, вследствие чего создаются более благоприятные условия сжигания топлива.

При забросе топлива мелкие куски его выпадают в передней части решетки, крупные - в середине и к концу решетки, в результате происходит более рациональное сжигание топлива. Самые мелкие частицы топлива сгорают во взвешенном состоянии в топочном пространстве.

Условия зажигания топлива лучше, чем в топке с решеткой прямого хода, так как здесь происходит нижнее и верхнее зажигание топлива. Свежие частицы топлива летят по всей длине решетки и падают на слой горящего топлива. При полете в топочном пространстве под действием высокой температуры топливо подсушивается и частично газифицируется.

Рис. 1.9. Механизированная топка с ценной решеткой обратного хода с забрасывателем топлива: 1 - воздухоподводящий короб; 2 - шлаковый бункер; 3 - забрасыватель топлива; 4 - топливный бункер; 5 - ведущая звездочка; 6 - цепная решетка; 7 - ведомая звездочка

Технические характеристики слоевых топок. Основным назначением всякой топки и топочного устройства является обеспечение наиболее полного и экономичного сжигания топлива, которое зависит от типа топки и свойств сжигаемого топлива. Геометрической характеристикой слоевой топки является площадь колосниковой решетки (м2) и объем топочного пространства (м3).

Количество теплоты, которое выделяется с 1 м2 площади колосниковой решетки при сжигании топлива, называется тепловым напряжением зеркала горения, с 1 м3 топочного объема - тепловым напряжением топочного объема и соответственно определяются

 = BQнр/Rз.г (1.1)

qV = BQнр/Vт (1.2)

где В - количество сжигаемого топлива, кг/с; Qнр - низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Rз.г - площадь зеркала горения решетки, м2; Vт - полный объем топки, м3.

В слоевых топках Rз.гможноопределять как произведение длины решетки на ее ширину. При ручном забросе топлива и сжигании бурых, каменных углей и антрацитов допустимые тепловые напряжения зеркала горения  принимают 750-1500 кВт/м2. Технические характеристики топок приведены в прилож. 1.

Топки для сжигания топлива во взвешенном слое (кипящий слой (КС)

Теоретические основы технологии сжигания в КС. Теоретические исследования технологии псевоожижения и характеристик псевдоожиженного слоя (ПОС) проводились Забродским С.С., Сидельковским Л.Н., Баскаковым А.П., Бородулей В.А., Кубиным М., Kunii D., Боттерилл Дж., Beranek J., Rowe P.N., Reboux P., Davidson J.F. и др.

Конструкции топок для сжигания в КС. Общее устройство. Кипящий (псевдоожиженный) слой - объем, занимаемый частицами угля, золы, песка, известняка и расположенный над поддерживающей воздухораспределительной решеткой (ВРР). Через слой подается воздух, твердые частицы поднимаются и поддерживаются им во взвешенном состоянии. Происходит расширение слоя, частицы могут двигаться более свободно, а слой ведет себя подобно жидкости. Общая сила аэродинамического сопротивления равна общему весу частиц. Дальнейшее увеличение скорости ожижающей среды приводит к образованию пузырей воздуха, движущихся вверх в относительно плотной «фазе» КС. Пузыри обеспечивают быстрое и равномерное перемешивание материалов, добавляемых в слой, а также эффективный перенос теплоты в слое и к охлаждаемым погружным поверхностям.

Предварительно слой подогревают с помощью пусковой горелки до температуры воспламенения угля. Затем в слой вводится уголь, содержание горючей массы в КС не 1-5 %. В слой добавляют известняк или доломит для связывания оксидов серы.

Около 50 % теплоты, выделяемой в слое, передается расположенным в слое поверхностям нагрева. Покидающие слой горячие газы проходят через конвективные пучки, очищаются от пыли и золы в фильтрах или скрубберах. Далее газы поступают в экономайзер, еще одно пылеулавливающее устройство и отводятся через дымовую трубу в атмосферу.

Содержащиеся в уходящих газах коксовые частицы и зола, сепарируемая золоуловителями, возвращается в КС для повышения полноты сгорания топлива. Чтобы стабилизировать высоту кипящего слоя и поддерживать реакционную способность известняка, необходимо непрерывно добавлять в слой свежий известняк и выводить отработавший материал из слоя.

В большинстве случаев при сжигании угля в КС температуру в нем поддерживают ниже температуры спекания золы. Оптимальная считается температура в диапазоне 850-900 °С, обеспечивающая абсорбцию оксидов серы известняком.

Обычный котел с топкой кипящего слоя должен содержать элементы, представленные на рис. 1.10.

Воздухораспределительные решетки (ВРР). Назначение ВРР - обеспечить равномерность потока воздуха через слой, чтобы гарантировать устойчивое псевдоожижение.

Известны три типа решеток - перфорированная плита, плита с насадками или колпачками и трубчатая решетка.

Перфорированная плита. ВРР этого типа имеет наиболее простое устройство, с нее легко удаляется шлак, если он образуется при сжигании.

Колпачковая решетка. Установлено, что ВРР с насадками или колпачками наиболее подходит для топок КС. Колпачки обычно размещаются с постоянным шагом (от 70 до 150 мм). Их формы представлены на рис. 1.11.

Трубчатая решетка. Состоит из труб с отверстиями или насадками, присоединенными к трубам. Главное отличие трубчатых решеток - их способность выводить из донной части слоя куски шлака, золы и другие отделяющиеся инертные включения. Они постепенно проваливаются через решетку по всей ее  площади в расположенный под ней бункер для дальнейшего удаления.

Рис. 1.10. Схема котла с КС: 1 - система распределения воздуха (воздух должен подаваться в слой для псевдоожижения и для сгорания); 2 - система вывода золы и отработанного сорбента; 3 - система питания углем и известняком; 4 - пусковая система (горелка); 5 - уголь и известняк; 6 - пар; 7 - система улавливания летучей золы: механический пылеулавливатель; мешочный фильтр; 8 - уходящие газы; 9 - система теплового контроля; 10 - зола; 11 - экономайзер; 12 - питательный насос; 13 - линия возврата золы с недожогом в кипящий слой 

ВРР проектируется с учетом перепада давлений около 250 Па. Для более интенсивной циркуляции в КС, этот перепад может быть и больше. Однако более высокое давление требует и больших затрат мощности на вентилятор. Это во многом зависит от способа и диапазона регулирования тепловой мощности установки.

Системы подачи топлива. Подача угля или других твердых топлив может осуществляться в трех вариантах: над слоем, в слой и под него. Расход регулируется роторным дозатором или шнековым питателем.

Рис. 1.11. Колпачковые воздухораспределительные

решетки

Подача над слоем. Подача угля над слоем осуществляется механическим или пневмомеханическим забрасывателем или по топливному рукаву, который, в зависимости от расположения, может подавать топливо как на слой так и в слой (рис. 1.12, б). Забрасыватель равномерно распределяет топливо по площади КС, однако увеличивается унос топлива со штыбом.

Рекомендуется для достижения равномерного распределения угля по слою иметь один ввод на квадратный метр КС. Для КС небольшой площади можно использовать шнековый питатель с подачей угля над слоем или под слой топлива (рис. 1.12, в ).

Подача топлива под КС. Осуществляется через точки питания, расположенные равномерно по площади решетки. Главный недостаток такого системы питания - сложность их устройства (рис. 1.12, а).

Преимуществами ввода угля под КС являются возможность подачи в слой всех фракций угля, включая мелочь, хорошее распределение угля по объему слоя.

Рис. 1.12. Схемы подачи топлива в топках КС: а - топливный рукав; б - пневмомеханический забрасыватель; в - шнековый питатель

Подача кальцийсодержащего наполнителя КС. Для снижения вредных выбросов в слой вводят известняк или другие сорбенты. Для подачи известняка используются питающие погружные трубы, расположенные на уровне расширенного слоя. Возможна подача сорбента в смеси с углем.

Регулирование уровня КС. Для поддержания уровня слоя на заданной высоте, необходимо выводить и вводить твердый материал в зависимости от того, что используется: уголь или известняк. Выходы для отработавшего материала осуществляется через стальные трубы в ВРР, устанавливаемые по одной на каждые 1,5 м2 КС. Отработавший материал удаляется с помощью охлаждаемых шнековых конвейеров.

Если подается уголь более крупной фракции, в слое постепенно накапливаются инертные крупноразмерные частицы и повышается средний размер частиц. В результате требуется повышение скорости псевдоожижения. Это ведет к уменьшению образования газовых пузырей и соответственно турбулизации КС.

Кроме того, дополнительное накопление инертных крупноразмерных частиц ведет к их ceгрегации и образование отложения шлака вокруг каждой точки ввода топлива в слой. Образование и накопление шлака, может привести к закупориванию отверстий, служащих для вывода отработавшего зернистого материала. В этих случаях наполнитель КС следует периодически заменять. Его просеивают и вновь загружать без крупных частиц.

Возврат уноса. Унос собирается за первичным золоуловителем и возвращается в КС для повышения полноты выгорания топлива. Кроме того, рециркуляция уноса дает дополнительные преимущества: более эффективное использование сорбента, связывающего серу, и более низкую эмиссию оксидов азота, который восстанавливается углеродом.

Регулирование тепловой нагрузки. Температуру в топке кипящего слоя необходимо регулировать в рабочих пределах, которые определяются характеристиками топлива и эффективностью адсорбирования серы.

Температура должна быть достаточно высокой для того, чтобы поддерживать горение топлива, но не настолько, чтобы происходило оплавление золы. Обычный диапазон температур 800-950 °С. Оптимальная температура для связывания серы близка к 850 °С. При тепловом напряжении площади КС около 1,5 МВт/м2 обеспечивается эффективное сгорание высококачественных углей при избытке воздуха 25 % и скорости ожижающей среды 2,5 м/с.

Около половины выделяемого тепла расходуется на повышение температуры воздуха и топлива, подаваемых в слой, а другая половина поглощается погружными поверхностями нагрева.

Когда требуется снизить нагрузку, необходимо одновременно снижать расход угля и воздуха для поддержания эффективной работы топки во всем диапазоне регулирования. Вместе с этим изменением нагрузки в той же пропорции должен уменьшаться тепловой поток к погруженным трубам. За счет изменения температуры слоя можно достичь лишь сравнительно небольшого уменьшения нагрузки. Гораздо больший диапазон регулирования возможен при делении слоя на несколько сегментов, которые в зависимости от требуемой нагрузки могут быть во взвешенном или неподвижном состояниях.

При регулировании нагрузки изменением высоты кипящего слоя, охлаждаемые трубы размещаются таким образом, чтобы их контакт с КС постепенно увеличивался, тепловосприятие было согласовано с изменением нагрузки. Так как температура в слое постоянна, длительность переходного режима небольшая (скорость изменения нагрузки 5 % за 1 мин). Данный способ позволяет обеспечить диапазон изменения нагрузки 3:1. Он используется в большинстве котлов с топками КС, изготовленными в последние годы.

Фракционный состав угля важен только для некоторых типов углей, когда не используется рециркуляция золы. Влияние фракционного состава угля на эффективность сгорания зависит от поведения различных угольных частиц в кипящем слое. В эксплуатационных условиях фракционный состав колеблется от 1 до 10 и от 10 до 35 мм.

Топливо.Одно из преимуществ топок кипящего слоя состоит в том, что их можно использовать для сжигания многих видов топлив для производства тепла или как устройства для утилизации горючих отходов, с полезным использованием теплоты. Во всех случаях достигается экологичность сжигания.

Экологическая эффективность применения технологии КС. Низкотемпературный уровень и использования в качестве наполнителя КС веществ способных взаимодействовать с диоксидом серы позволяет значительно повысить экологическую безопасность сжигания низкосортных твердых топлив.

В качестве специальных добавок широко используются известняк или доломит. Доломит – осадочная карбонатная порода, содержащая до 90 % минерала СаМg(CO3)2, также кальцита, магнезита, сидерита и др. Доломит активно связывает оксиды серы в сернокислый кальций и сернокислый магний в интервале температур 900-1000 °С в присутствии кислорода.

При введении в массу КС 3 % доломита эмиссия SO2 снижается на 80-85 %, добавка 5-7 % ведет к снижению SO2 в пять раз.

В котельно-топочной практике для характеристики активности КС по отношению к связыванию оксидов серы, получило распространение отношение вида Са/S. Так при добавке известняка в КС (уголь с Sp = 4 %), соответствующем соотношению Са/S = 2-2,5, степень поглощения оксидов серы достигает 90 %, полнота сжигания топлива 98 %, эмиссия NOx не превышает 130 г/ГДж, при соотношении 1,5-2 – степень связывания достигает 80-85 % диоксида серы.

Основные преимущества сжигания топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое:

достигается высокий коэффициент теплообмена (300-900 Вт/м2×К);

компактность топочного устройства (видимая объемная плотность теплового потока до 4000 кВт/м3);

относительно низкие удельные капитальные затраты;

относительно низкий температурный уровень в слое топлива (800-950 ºС), что ведет к снижению эмиссии оксидов азота;

высокая степень связывания оксидов серы с зольным остатком (до 95 %), при относительно небольшой добавки кальцийсодержащих соединений;

возможность эффективного сжигания низкосортных, слабо реакционных и высокосернистых топлив, бытовых и производственных отходов и отходов обогащения угля;

возможность создания малогабаритных топок для небольших отопительно-коммунальных и других котельных

Описание конструкции ПМ-ТКС-1. Топка кипящего слоя предназначена для сжигания как сортового с зольностью до 22 %, так и низкокачественного угля с зольностью до 40-50 % в режиме псевдоожижения и состоит из прямоугольной топочной камеры, провальной воздухораспределительной колпачковой решетки, устройства для подачи топлива; устройства для накопления и удаления золы из топки, высоконапорного вентилятора для подачи воздуха в топку через решетку, поверхности теплообмена, размещенной в топке, устройства розжига топки (см. рис. 1.13).

Топочная камера, футерованная огнеупорным кирпичом, имеет прямоугольное сечение 0,55 х 1,24 м в плане. Надежное и качественное псевдоожижение достигается равномерной по сечению подачей воздуха через воздухораспределительную решетку.

Воздухораспределительная решетка изготавливается из труб Æ 108 мм, на которых устанавливаются колпачки с шагом 110 мм. Колпачки изготавливаются из труб Æ 32 мм, один из концов колпачков выполнен в виде конуса, а другой приваривается к трубе Æ 108 мм.

 Рис. 1.13. Секционный котел НР-18м с полумеханической топкой КС ПМ-ТКС-1 конструкции ЛИСИ: 1 - обмуровка котла; 2 - поверхности нагрева котла; 3 - взрывной клапан; 4 - топливный бункер; 5 - затвор бункера; 6 - топливный рукав; 7 - топливный питатель; 8 - погружные поверхности; 9 - ВРР колпачкового типа; 10 - розжиговая жидкотопливная горелка; 11 - воздуховод; 12 - шлаковый бункер; 13 - роликовый шлаковый затвор; 14 - рычажный шлаковый клапан; 15 - площадка обслуживания; 16 - топливозагрузочная дверца; 17 - гляделка

Со стороны вершины конуса на расстоянии 24 мм равномерно по периметру просверливаются 8 отверстий диаметром 7 мм. Трубы Æ100 мм привариваются к воздушному коллектору, изготовленному из трубы Æ 245 мм. На расстоянии 80 мм от оси крайних колпачков по периметру выкладывается стенка камеры из огнеупорного кирпича. Погружные поверхности 1,94х2 м2 предназначены для отбора теплоты из слоя и обеспечивают температурный уровень кипящего слоя 950°С при номинальной нагрузке.

Топливоподача обеспечивается гравитационным (самотечным) способом из котлового топливного бункера и системы клапанов, работа которых возможна как в ручном, так и автоматических режимах. Расчетный часовой расход угля, при тепловой мощности 1,23 МВт, составляют около 290 кг/ч. (при Qрн= 18 МДж/кг).

Шлакозолоудаление состоит из бункеров-накопителей золы и двух герметичных клапанов роликового и рычажного типов.

Так как на уровне колпачков провальной воздухораспределительной решетки могут развиваться давления до 3500 Па, то для обеспечения газоплотности бункера- накопитель золы привариваются электросварной к трубам решетки. Высота бункера выбрана такой, что накопленная в нем зола обеспечивает газоплотность в местах выхода золы в межклапанное пространство. При этом должна обеспечиваться газоплотность как первого по ходу золы клапана (роликового типа), так и второго (рычажного типа).

Горелка растопочная обеспечивает розжиг топки и вывод котла на заданный режим. Горелка работает на легком жидком топливе.

Автоматизация.Тепловой контроль, параметры, изменение которых может привести к аварийному состоянию, контролируются сигнализирующими приборами с целью предотвращения аварийных ситуаций.

Предусматривается автоматическое регулирование температуры КС и тепловой мощности котла по температуре воды на выходе из него, а также разрежение в топке.

Работа топки. Перед розжигом топки необходимо заполнить бункеры для накопления и слива золы балластной сухой засыпкой (речным песком, гравием и т.д.) Фракции 2-10 мм. Высота засыпки осуществляется таким образом, чтобы отверстия колпачков находились примерно на 10-20 мм выше уровня засыпки. Затем на воздухораспределительную решетку вручную через загрузочную дверцу забрасывают 80-100 кг инертного материала.

Включается дымосос и вентилятор и продувается слой песка для его выравнивания по площади решетки. После чего устанавливается минимальная подача, воздуха (разрежение в топке 50-60 Па) и включается насос для подачи жидкого топлива на розжиговое горелочное устройство.

Через люк на розжиговом устройстве при помощи факела (вручную) производится воспламенение жидкого топлива. Температура газов на выходе из растопочной камеры контролируется по показанию щитового прибора и регулируется количеством подачи жидкого топлива и воздуха.

Температура газов, выходящих из растопочной камеры, должна находиться в пределах 600-700 °С. При достижении температуры в слое 380-400 °С вручную забрасывается 15 кг заготовленного газового угля фракции 1-13 мм. При достижении температуры слоя 700-780 °С открывается устройство подачи топлива, с установленным минимумом расхода. При этих температурах отключается розжиговая горелка, и с помощью регулирования подачи топлива в топку, процесс горения выводится на расчетный режим.

Увеличение или уменьшение теплопроизводительности котла осуществляется изменением расхода топлива. При нормальном режиме горения высота слоя в кипящем состоянии должна быть 450 мм. При повышении уровня слоя выше при номинальном режиме работы топки производится слив золы.

1. Назначение топки, как они подразделяются по способу сжигания топлива.
2. Преимущества и недостатки газообразного топлива перед другими видами топлива.
3. Газовая горелка ГГС.
4. Устройство, назначение тягомера.
5. Действия оператора при возникновении пожара в котельной.

Задание: Необходимо ответить на вопросы. По ранее пройденным темам.

7. Основы теплопередачи

1. Основные понятия и определения

К тепловым процессам относят процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты – нагревание, охлаждение, конденсация и испарение.

Тепловые процессы часто сопутствуют другим технологическим процессам: химическим превращениям, разделению гомогенных смесей, сушке и т.д., которые сопровождаются подводом или отводом тепла.

Для тепловых процессов в химической промышленности характерны широкий диапазон изменения температуры (от нескольких тысяч градусов до близких к абсолютному нулю) и количеств передаваемой теплоты. Такой широкий диапазон требует применения различных способов передачи теплоты и материалов, которые наилучшим способом обеспечивают этот процесс.

Производства химической технологии, требующие больших затрат тепловой энергии, обычно комплексно связаны с тепловыми энергетическими установками. Рациональное расходование теплоты – важный экономический показатель эффективности работы аппаратуры и организации технологического процесса.

Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, носит название теплообмена.В соответствии со вторым законом термодинамики перенос тепла самопроизвольно происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Таким образом, причиной направленного теплопереноса является разность температур–температурный напор, который есть движущей силой переноса тепла. При выравнивании температур наступает равновесие.

Тела, участвующие в переносе тепла, называюттеплоносителями.

Перенос теплоты может осуществляется различными способами. В зависимости от механизма различают три способа теплопереноса: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность– это перенос тепла при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой, когда перенос энергии осуществляется микрочастицами за счет их «теплового» движения. В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а в жидкостях и газах – лишь в неподвижных средах. При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах – путем диффузии атомов или молекул, а в металлах, путем диффузии свободных электронов.

Конвективныйперенос теплоты обусловлен массовым движением макрочастиц среды – теплота переносится движущейся средой. Такой способ теплопереноса возможен лишь в жидкостях и газах, при этом всегда сопровождается теплообменом между частицами посредством теплопроводности. В свою очередь, конвекция бывает свободной и вынужденной.Свободная конвекцияпроисходит в результате разности плотностей жидкости или газа в различных точках занимаемого ими объема вследствие разных температур,вынужденная– когда перемещение частиц жидкости или газа происходит под действием внешних сил (с помощью насосов, компрессоров).

Тепловое излучение– это перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, сопровождаемый переходом лучистой энергии в тепловую и наоборот. Этот вид переноса тепла имеет место между телами любого агрегатного состояния независимо от того, удалены ли они друг от друга или соприкасаются между собой.

В реальных условиях теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно преимущественное значение имеет какой-нибудь один способ.

Наиболее распространенным случаем в практике является перенос тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называют теплопередачей. Процесс теплопередачи включает три стадии: 1) перенос теплоты средой, имеющей более высокую температуру, стенке; 2) перенос теплоты в стенке; 3) перенос теплоты от нагретой стенки к среде с более низкой температурой. Перенос теплоты в стенке происходит путем теплопроводности. Передача теплоты от теплоносителя к стенке и от нагретой стенки к более холодной среде называюттеплоотдачей.

Особое место среди тепловых процессов занимают процессы, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния теплоносителей (кипение, конденсация пара и т.д.).

В процессе переноса теплоты температура в общем случае изменяется в пространстве и во времени:

где t– температура;x,у,z– координаты;τ– время. Пространство с различными температурами в отдельных его точках является температурным полем. Изменение температуры в данной точке пространства со временем характеризуютмгновенными температурами.

Процессы, в которых поля температур постоянны во времени, являются установившимисяилистационарными. Они соответствуют непрерывно действующим аппаратам. Если же распределение температур в телах, участвующих в теплообмене, изменяется во времени, то процесс считаетсянеустановившимсяилинестационарным. Такие процессы протекают в аппаратах периодического действия.

Рисунок 7.1 – К определению температурного градиента

Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, образуетизотермическую поверхность. Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности разных температур друг с другом не пересекаются. Все они либо замыкаются на себя, либо кончаются на границах тела. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. При этом наиболее резкое изменение происходит в направлении нормалиnк изотермическим поверхностям (рис. 7.1).

Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормалиназываюттемпературным градиентом:

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону возрастания температуры. Значение температурного градиента, взятое с обратным знаком, называют падением температуры.

Количество тепла, проходящее через данную поверхность за время τ, называюттепловым потокомQ[Дж]. Тепловой поток, проходящий в единицу времени через 1 м2поверхности, носит название удельноготеплового потокаq.

Величина теплового потока зависит от теплофизических свойств теплоносителя. Непосредственное влияние на процесс переноса тепла оказывают температура, теплоемкость, температуропроводность, энтальпия, теплота фазового превращения.

Задание: Посчитать и заполнить таблицу Объемов продуктов сгорания.

Задание. Сделать презентацию на тему «Виды топлив, их свойства и горение»

Виды топлив, их свойства и горение

Повышение мировых цен на традиционные источники энергии, политическая и экономическая нестабильность в странах, являющихся основными поставщиками нефти и газа на мировые рынки, заставляют ведущие страны искать другие виды источников энергии.

Эволюция конструкции двигателя внутреннего сгорания должна подчиняться современным требованиям норм охраны окружающей среды. Эти требования касаются как самих двигателей, так и применяемых в них топлив. Развитие топлив идет по следующим направлениям: совершенствование технологии переработки нефти; поиск новых добавок к топливам; применение альтернативных топлив.

Топливо должно отвечать следующим основным требованиям: при сгорании выделять возможно большее количество теплоты, сравнительно легко загораться, быть широко распространенным в природе, доступным для разработки, дешевым при использовании, сохранять свои свойства во время хранения. Очень важно, чтобы в процессе сгорания топлива не выделялись вещества, представляющие опасность для окружающей среды. Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемые угли, дрова, горючие сланцы, торф (табл. 1).

Таблица 1. Общая классификация топлив

Топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючая часть топлива представляет собой совокупность различных органических соединений, в которые входят углерод, водород, кислород, азот, сера. Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей, включающих золу и влагу.

Углерод С — основная горючая часть топлива, с увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для различных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 %.

Водород Н является второй по значимости горючей составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25 %. Однако при сгорании водорода выделяется в 4 раза больше теплоты, чем при сгорании углерода.

Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива колеблется в широких пределах: от 0,5 до 43 %.

Азот N не горит и так же, как кислород, является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива невелико и составляет 0,5…1,5 %.

Сера S, при сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты ее сгорания — сернистый SO2 и серный SО3 ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твердом топливе достигает 8 %, в нефти — от 0,1 до 4 %.

Зола А представляет собой негорючий твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация котельных установок и т.д. Топливо с высоким содержанием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии и т.д.

Примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранении, а вторые входят в его химический состав.

Топливо, которое поступает к потребителю в естественном состоянии и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушивают при температуре 105 °С для удаления влаги.

Состав газообразных топлив весьма разнообразен. Горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН4 и другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводородных атомов до 4 включительно.

Тепловую ценность газообразного топлива представляют метан и более тяжелые углеводороды. Окись углерода при сгорании выделяет незначительное количество тепла. Балластную часть газообразных топлив составляют негорючие газы, такие как азот N, углекислый СО3 и сернистый SО2, кислород О и пары воды Н2O. Теплота сгорания топлива является его основной качественной характеристикой. Для характеристики различных видов топлив служит удельная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг).

Для газообразных топлив применяется объемная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы объема (кДж/м3). Газообразное топливо оценивают также по молярной теплоте сгорания, т.е. по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль).

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее удельное количество теплоты сгорания определяют по формуле

 (1)

Низшее (рабочее) удельное количество теплоты сгорания топлива определяют по формуле

 (2)

В формулах (1) и (2) содержание химических элементов выражается в процентах.

Низшая, или рабочая, теплота сгорания Qн — это теплота сгорания, получаемая в практических условиях. Вычитаемое 25(9H + W) в формуле (2) представляет собой удельное количество теплоты, которое затрачивается на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива. Пар уносится с продуктами сгорания в атмосферу (9Н — число массовых частей воды, образующихся при сгорании одной массовой части водорода; Н, W — содержание в топливе соответственно водорода и воды, %).

В выражении (2) принято, что дымовые газы охлаждаются до +20 °С, оставаясь в газо- и парообразном состояниях. Значит, 1 кг пара при выносе в атмосферу будет забирать 2671 – (100 – 20) × 2,0096 = 2512 кДж/кг, где 2671 кДж/кг — количество теплоты, затрачиваемой на испарение 1 кг воды, (100 – 20) — условный перепад температуры паров воды, °С; 2,0096 кДж/(кг · град) — теплоемкость паров воды.

В автотрактротных двигателях продукты сгорания отводят из цилиндров при температурах, значительно более высоких, чем температура конденсации паров воды. Поэтому рабочей теплотой сгорания бензинов и других жидких топлив считают величину Qн. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, зависит от химического состава, а следовательно, от содержания в нем углерода и водорода.

Наибольшая массовая теплота сгорания водорода составляет 121 100 кДж/кг, углерода — 34 100 кДж/кг, поэтому парафиновые углеводороды с большим содержанием водорода имеют большую массовую теплоту сгорания по сравнению с ароматическими, содержащими меньше водорода. Объемная же теплота сгорания меньше у парафиновых углеводородов и больше у нафтеновых и ароматических, так как у них выше плотность.

Теплоту сгорания нефтепродуктов (кДж/кг) с достаточной степенью точности можно определить по формуле

 (3)

где К — коэффициент, зависящий от плотности нефтепродукта при 20 °С и определяемый по справочной таблице; 〉20 — относительная плотность нефтепродукта при 20 °С.

Основной характеристикой газообразных топлив является объемная теплота сгорания (кДж/м3), которая определяется делением молярного количества теплоты сгорания на объем 1 киломоля газа. 1 киломоль любого газа при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 м3.

Высшее объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете на сухую массу может быть определено по формуле

 (4)

а ее низшее объемное количество —

 (5)

Объемное количество теплоты сгорания рабочей массы газообразного топлива, содержащего водяные пары, вычисляют по формулам

(6)

или

(7)

где 0,805 — масса 1 м3 водяного пара, кг; W — содержание влаги в 1 м3 газа, кг.

Теплоту сгорания определяют также опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (калориметрах). Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в калориметре.

Для сравнения топлив введено понятие «условное топливо». За единицу такого топлива принято топливо, которое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 выделяет 29307,6 кДж. Чтобы перевести любое топливо в условное и потом сравнить его с другими, нужно теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного топлива. Полученное число представляет собой калорийный эквивалент данного топлива и показывает, во сколько раз реальное топливо выделяет больше или меньше теплоты по сравнению с условным (табл. 1).

Таблица 1

Теплота сгорания и калорийные эквиваленты различных видов топлива

Предварительный просмотр:

Классификация топлив и их краткая характеристика.

Жидкое топливо производится преимущественно двумя способами: физическим и химическим. Первый протекает без нарушения структуры углеводородов, второй — с изменением ее. Физический способ, или прямая перегонка нефти, представляет собой процесс разделения ее на отдельные фракции, отличающиеся температурой кипения. Для этого нефть нагревают в нефтеперегонных установках до температуры 300…380 °С, а образовавшиеся пары отбирают и конденсируют по частям в колоннах. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел. Легкокипящие фракции в паровой фазе достигают верха колонны и вместе с испарившимся оросителем отводятся из колонны в конденсатор — газоотделитель. Более тяжелые топливные фракции отводят из колонны через холодильники и отбирают дистилляты: бензиновый (40…200 °С), керосиновый (140…300 °С), газойлевый (230…330 °С), соляровый (280…380 °С) и в остатке — мазут.

Жидкие топлива подразделяются на:

• карбюраторные (авиационные и автомобильные);
• реактивные;
• топлива для дизелей — дизельные топлива (зимние, летние, арктические), моторное топливо, соляровое масло;
• котельные (мазут флотский, топочный мазут).

Карбюраторные топлива состоят из низко- и среднекипящих фракций нефти (фракции, выкипающие при температурах 35…200 °С) и легких продуктов вторичной переработки. В качестве топлив для карбюраторных двигателей используются также сжиженные углеводородные газы.

Топлива для авиационных карбюраторных двигателей представляют собой смесь бензиновых фракций каталитического крекинга и риформинга (фракции, выкипающие при температурах 40…180 °С), алкилата и других высокооктановых компонентов с добавкой антидетонационных и антиокислительных присадок. Выпускаются авиационные бензины марок Б-100/130, Б-95/130, Б-91/115 (в числителе — октановое число, в знаменателе — сортность на богатой смеси). Октановое число определяется по моторному методу. Сортность — это тоже октановое число, оно оценивает прирост мощности по сравнению с чистым изооктаном.

Реактивные топлива (авиационные керосины) получают, как правило, прямой перегонкой нефти (фракции, выкипающие при температурах 200…300 °С). Выпускаются топлива для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета (Т-1, Т-2, ТС-1) и для сверхзвуковых самолетов (Т-6, Т-8).

В реактивном двигателе процесс сгорания топлива происходит иначе, чем в двигателях внутреннего сгорания. В реактивном двигателе топливо подается непрерывно, сгорание происходит в потоке воздуха, двигающегося со скоростью 135 м/с. Поэтому главными факторами для нормальной работы являются скорость и полнота сгорания топлива.

Дизельные топлива, применяемые в двигателях с воспламенением от сжатия, подразделяются на три группы:

• для быстроходных дизелей (ДЗ, ДЛ, ДС);
• для автотракторных, судовых дизелей (А, С);
• для среднеоборотных дизелей (ДТ, ДМ).

Дизельные топлива состоят из средних фракций нефти, перегоняющихся в пределах 180…350 °С, легких газойлей каталитического и термического крекинга и гидрокрекинга.