1.6 Процесс горения топлива
Горением называется протекающий при сравнительно высоких температурах химический процесс соединения горючих элементов топлива с окислителем, сопровождающимся большим выделением тепла. Окислитем в котлах является кислород. Если в результате горения топлива образуются такие продукты сгорания как CO2 H2O и SO2, то сгорание называется полным. Основными продуктами неполного сгорания являются окись углерода СО , водород Н2 и метан СН4
Для обеспечения полного сгорания топлива и определен6ия количества важно знать количество кислорода, необходимого для такого процесса. При выполнении расчетов первоначально находят теоретическое количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, полагая, что горючие элементы будут полностью окислены и не образуют химических соединений с другими элементами.
Рассмотрим упрощенный расчет теоретически необходимого количества кислорода для полного сгорания топлива, массой 1 кг.
Из реакции горения углерода
С + О2 = СО2
следует, что для полного сгорания углерода массой 12 кг, необходимо 32 кг кислорода. Следовательно, для сгорания углерода, массой 1 кг, необходимо 32/12 = 2,67 кг кислорода.
Из реакции горения водорода
2Н2 + О2 = 2Н2О
следует, что для полного сгорания водород массой 4 кг, необходимо 32 кг кислорода. Следовательно, для сгорания водорода, массой 1 кг, необходимо 16/2 = 8 кг кислорода.
Горение серы характеризуется реакцией
S + O2 = SO2
с образованием сернистого газа. Из реакции следует, что для сжигания 1 кг серы необходимо 1 кг кислорода.
Если вычесть содержащийся в топливе кислород, то для полного сгорания 1 кг топлива:
Поскольку в воздухе содержится 23% кислорода и 77% азота, массовое количество воздуха (кг), необходимое для сжигания топлива массой 1 кг составит:
Плотность воздуха при нормальных условиях ρ (температура 00С, давление 0,101 Мпа, влажность 0%) составляет
ρ = 1,293 кг/м3
поэтому теоретический объем кислорода, необходимого для сгорания топлива, массой 1 кг, приведенный к нормальным условиям
В процессе горения выгорают горючие составляющие неравномерно, а часть кислорода воздуха не успевает вступить в реакции, поэтому действительное количество Vдейст воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, больше теоретического.
Отношение действительного количества топлива к теоретически необходимому для сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха
Значение коэффициента избытка воздуха зависит от метода вида топлива, степени совершенства топочного устройства, метода сжигания топлива, нагрузки котла и других факторов.
На экономичность работы котла отрицательно влияют как избыток воздуха, так и его недостаток, поэтому его количество должно быть оптимальным. В главных котлах α = 1,1 – 1,2, а в новых современных агрегатах α = 1,03 – 1,05. Для вспомогательных котлов α = 1,2 – 1,3.
1.6 Оборудование для сжигания жидкого топлива
На процесс горения топлива в топке котла влияют реагирующие вещества самого топлива и элементы оборудования топочной камеры. Сжигание топлива в топке происходит в виде факельного процесса для осуществления, которого служит топочное устройство, в состав которого входит форсунка и воздухонаправляющее устройство (ВНУ)
Форсунки, предназначены для подачи распыленного топлива в топку, а с помощью воздухонаправляющего устройства (ВНУ) частицы топлива перемешивается с воздухом.
Форсунки с ВНУ могут иметь фронтовое и потолочное расположение. Преимущественное расположение получило фронтовое расположение, при котором форсунки и ВНУ располагаются на передней стенке топки котла, называемое передним фронтом.
К форсункам предъявляются следующие требования:
1. простота устройства;
2. надежность действия;
3. хорошее распыление топлива;
4. большая глубина легкость регулирования подачи;
5. малый расход энергии;
6. удобство замены и очистки;
7. невысокая стоимость;
8. возможность автоматического регулирования при безвазхтенном обслуживании.
В судовых котлах в зависимости от способа распыления топлива применяются следующие типы форсунок:
1 с воздушным и паровым распылением топлива;
2. механические не вращающиеся (центробежные);
3. механические вращающиеся (ротационные);
4. паромеханические.
Форсунки с паровым или воздушным распылением топлива конструктивно идентичны и работают по принципу пульверизатора. Эти форсунки просты в и надежны в эксплуатации. Недостатком этих форсунок является то, что для приведения их в действие необходим безвозвратный расход пара или воздуха.
Широкое распространение в топочных устройствах получили механические центробежные форсунки, в которых распыление топлива осуществляется благодаря достаточно высокому давлению топлива, создаваемое топливо-форсуночным насосом.
Механические центробежные форсунки делятся на нерегулируемые и с регулируемым топливным сливом.
Механическая нерегулируемая центробежная форсунка представлена на рисунке состоит из корпуса 6 с ручкой 7, ствола 5, представляющего собой толстостенную трубу со штуцером на конце, стопорной втулки 4, распределителя сопла (сопла) 3, распыливающей шайбы 2 и головки 1.
Топливо от топливо-форсуночного насоса по отверстиям в корпусе и каналу ствола через сврления в стопорной втулке и распределителе поступает к распыляющей шайбе. Распыляющая шайба в данной конструкции имеет четыре канала 8, расположенных тангенциально к окружности вихревой камеры. По ним топливо устремляется к центру и в вихревую камеру 9, где интенсивно раскручивается. Из него топливо выходит в топку и через отверстие 10 в виде вращающегося конуса мелко распыленных частиц.
Поверхности соприкосновения распыляющей шайбы 2 и распределителя 3 тщательно обрабатывают, полируют и при сборке головки прижимают одну к другой стопорной втулкой 4. В зависимости от подачи форсунки число тангенциальных каналов может быть от 2-х до 7-и.
Форма факела форсунки зависит от отношения fk / fо, где fk – суммарная площадь всех тангенциальных каналов, а fо – площадь сечения центрального отверстия. Чем меньше это отношение, тем угол конуса распыливания будет больше, а длина факела меньше.
Шайбы изготавливают обычно под номерами. Каждый номер соответствует определенной подаче, которая указывается в технической документации.
Нерегулируемые механические центробежные форсунки других типов мало отличаются от рассмотренных. Их отличие проявляется в основном в конструкциях распределителей и способах закрепления распыляющих шайб.
Регулирование действия таких форсунок осуществляется посредством изменения давления подаваемого топлива или смены распылителей. Современные механические форсунки обеспечивают хороший распыл при температуре мазута 90 – 1100С и давлении топлива перед ними 1,6 – 2,0 Мпа.
Существенно расширяют диапазон регулирования форсунки с регулированным сливом, у которых расход топлива может меняться в пределах 20 – 100%.
В форсунке со сливом излишек топлива из вихревой камеры распылителя топливо от топливо-форсуночного насоса по кольцевому каналу вокруг трубы 1 поступает в распределитель (сопло) 2, а из него по тангенциальным каналам в распыляющей шайбе 3 в вихревую камеру. Часть топлива из вихревой камеры через центральные отверстия в распределителе попадает через трубу 1 в сливной канал. Подача форсунки регулируется изменением открытия клапана, расположенного за сливным штуцером. При полностью закрытом клапане, форсунка работает как нерегулируемая с максимальной подачей.
Однако такие форсунки более сложны по конструкции, менее удобны в эксплуатации, а из-за большого количества отводимого от них в специальную емкость горячего топлива, повышается пожаробезопасность системы. С целью снижения температуры сливаемого топлива применяют установки для его охлаждения, кроме того для перекачки излишков топлива увеличивается расход энергии на привод топливо-форсуноных насосов.
В настоящее время на котлах стали применять более совершенные комбинированные паромеханические форсунки, основными преимуществами которых являются значительно большая глубина регулирования подачи при сравнительно невысоких давлениях, создаваемых топливо-форсуночными насосами (0,6 – 3 МПа), при хорошем качестве распыления топлива.
При нагрузках, близких к полным, паромеханическая форсунка работает как чисто механическая центорбежная. На сниженных нагрузках, при которых для обеспечения хорошего распыления автоматически включается подача пара давлением 0,15 – 0,2 МПа, форсунка работает как паромеханическая. Расход распыляющего пара составляет примерно 0,05 – 0,15 кг/кг топлива, что для котлов существенного значения не имеет, учитывая кратковременную работу паромеханической форсунки на сниженных нагрузках. Кроме того, при периодической продувке распылителей паром уменьшается их засорение и коксуемость.
У вспомогательных котлов, которые могут длительное время работать на сниженных нагрузках, безвозвратную потерю пара, затрачиваемого на распыление можно отнести к недостатку паромеханической форсунки.
В паромеханической форсунке с комбинированной распыливающей головкой топливо от топливо-форсуночного насоса по кольцевому каналу ствола 7 поступает в головку форсунки 6 и затем по сверлениям 5 в распределитель 4. Из распределителя, как и в обычной центробежной форсунке, топливо по тангенциальным каналам в распределяющей шайбе 2 поступает в вихревую камеру 3 и, раскрутившись в ней, направляется в топку.
Встречаются паромеханические форсунки без распыливающих шайб. Например, у форсунки «Бабкок» (рис. 3.12) вместо распыляющей шайбы имеется сопло 2 с семью цилиндрическими отверстиями. Сопло прижимается с помощью гайки 5, навертываемой на ствол 6. Топливо через каналы 4 поступает в сопловые отверстия 1, куда по каналам 3 так же поступает пар. Распыление топлива осуществляется при использовании энергии совместного удара струи топлива и пара, движущихся с большой скоростью.
Механические вращающиеся (ротационные) форсунки, составляющие конструктивно одно целое с топочным устройством более надежны в эксплуатации, имеют большую глубину регулирования (5 – 100% нагрузок) с низким давлением топлива (0,05 – 0,15 МПА), в них отсутствуют засоряющиеся каналы и отверстия.
Недостатком ротационных форсунок является сложность конструкции, повышенный шум в работе, а так же необходимость поддержания разрежения с помощью дымососов в топке на всех нагрузках котла, если на котле установлено несколько форсунок.
Механическое распыливание топлива в ротационных форсунках осуществляется под действием центробежной силы, создаваемой распылителем, вращающимся с частотой 5000 об/мин, а регулирование - путем изменения открытия клапана, подводящего топливо к форсунке.
Существует несколько типов ротационных форсунок, принципиально отличающиеся лишь видом привода (паровой, воздушный, электрический) и способом подвода воздуха.
Ротационная форсунка с приводом от электродвигателя приведена на рисунке. Стакан 10 вместе с полым валом 8 приводится во вращение от электродвигателя 4 через ременную передачу 5. топливо через штуцер 6 подается в неподвижную трубу 7, расположенную внутри полого вала 8 и из нее попадает на внутреннюю поверхность вращающегося стакана. Под действием центробежных сил топливо прижимается к внутренним поверхностям стакана; благодаря небольшой конусности пленка топлива движется к выходной кромке. Вместе с полым валом вращается насаженное на него колесо вентилятора 3, который через патрубок 9 забирает воздух и нагнетает в кольцевую щель 11 под давлением примерно 5 кПа.
Основной поток воздуха (приблизительно 90%) для горения топлива поступает в топку от котельного вентилятора. Каналы 1 оборудованы регулирующими шиберами 2.
Имеются конструкции ротационных форсунок, в которых весь воздух поступает только от котельного вентилятора.
Воздухонаправляющие устройства служат для подачи необходимого количества воздуха в топку котла. От работы ВНУ зависят качество распыления топлива, его смесеобразование, процесс горения и оьщая экономичность котла. ВНУ работают с раздельным подводом первичного и вторичного воздуха (в основном у ротационных форсунок) и с совместным подводом воздуха, а также с неподвижными и профильными поворотными лопатками. Наибольшее распространение получили ВНУ с неподвижными лопатками и совместным подводом воздуха.
ВНУ смонтировано в воздушном коробе котла, в который подается воздух от котельного вентилятора. ВНУ состоит из 2-х неподвижных конусообразных колец 5 и 7, между которыми установлены лопатки 18, расположенные под определенным углом, для закручивания выходящего воздушного потока. Регулирование подачи воздуха осуществляется кольцевым шибером 6, который перемещается в горизонтальном направлении при помощи тяг 12, подключенных к исполнительному механизму системы автоматики. Места выхода тяг наружу уплотнены манжетами 10. Основная часть воздуха из короба поступает в топку между лопатками 18, а некоторая часть – через четыре трубы 1 турболизатора, что способствует лучшему смесеобразованию.
Трубы 1 смонтированы в пазах фурмы 3, выложенного из фигурного кирпича. Пазы и зазоры между фигурными кирпичами заполнены шамотной обмазкой 4. Для установки форсунки строго по оси ВНУ предусмотрена форсуночная труба 8 с диффузором 2. На наружный конец форсуночной трубы навинчен башмак 13 с штуцером подвода топлива и пара. Паромеханическая форсунка 17 вставляется в трубу 8 и прижимается своим корпусом к каналам в башмаке при помощи стопора струбцинного типа, который состоит из откидной скобы 14 и стопорного винта 15 с ручкой 16.
Топочное устройство снабжено смотровыми устройствами, в одном из которых установлен фотоэлемент 11, служащий для контроля за горением форсунки и выдающий сигнал на отключение топлива в случае срыва факела. В смотровой трубе 9 имеются отверстия для прохода воздуха из короба котла, охлаждающие стекла фотоэлемента.
Часто в форсуночных трубах делают захлопки 2 (рис 3.16). При выемке форсунки 3 торец форсуночной трубы закроется захлопкой, благодаря чему предовращается выброс горячего воздуха из короба.
Диффузор 1 может быть подвижным или неподвижным и предназначен для защиты корня факела от задувания и поддержания необходимой температуры при воспламенении топлива. Его перемещение осуществляется тягой 5, которая закрепляется стопором 4.
Широкое распространение у вспомогательных котлов получили автоматизированные топливо-форсуночные агрегаты, объединяющие в своем составе вентилятор, топливный насос и оборудование , обеспечивающие безвахтенное обслуживание котла. Работают они в позиционном режиме «Включено – выключено»
На рисунке 3.18 показана схема агрегата «Монарх», предназначенного для работы на высоковязком топливе. Управление агрегатом осуществляется от электросистемы программного механизма, обеспечивающая последовательное выполнение операций в зависимости от сигналов реле давлений, установленных в котле.
Если давление в котле понизится до заранее установленного значения, то включится электродвигатель 3, на валу которого находятся вентилятор 4 и топливный насос 15. Одновременно включится в работу электрический топливоподогреватель 13. Первые 20 – 30 секунд производится вентиляция топки, а топливный насос будет прокачивать топливо по трубопроводу 18 через фильтр 17 топливоподогреватель 13 открытый электромагнитный клапана 11, трубу рециркуляции 16 во всасывающий трубопровод.
При достижении температуры топлива около 950С и окончании вентилирования топки включится трансформатор зажигания 6 и закроется клапан 12, что приведет к увеличению давления топлива и отжиму поршенька запорного клапана 9. Топливо направится к распылителю и воспламенится от дуги электродов 8. Фотоэлемент 5 восприняв свет от вспышки факела, отключит трансформатор 6. Если воспламенения топлива не произойдет по каким-либо причинам, то по сигналу от фотоэлемента прекратится подача топлива к форсунке, а программный механизм повторит изложенный алгоритм. При повторном срыве зажигания система остановится и включит сигнализацию. Если расход пара большой и давление ниже, заданного значения, то дополнительно включится в работу сопло 10, для чего откроется электромагнитный клапан 11, а исполнительный механизм (ИМ) 1 повернет заслонку 2 для увеличения подачи воздуха. Воспламенение топлива из сопла 10 происходит от факела работающего сопла 9. При снижении давления на 0,01 МПа ниже рабочего сопло 10 отключается, заслонка возвращается в исходное положение, а при достижении рабочего давления агрегат отключится. Для визуального контроля за пламенем на кормусе имеется смотровой глазок 14.
Кроме агрегата типа «Монарх» широко используются схожие с ним по компановке и принципу действия агрегаты «Ойлон», «Уинтерм», «Викинг», «Саке» и др.
Принципиальная схема топочного устройства, оборудованного агрегатом «Саке», показана на рисунке
1 - двухсопловая форсунка; 2 – электроды зажигания; 3 – трансформатор; 4 – фотоэлемент; 5 – вентилятор; 6 – электродвигатель; 7 – серводвигатель; 8 – заслонка; 9 фильтр; 10 – топливный насос; 11 – редукционный клапан; 12 – электромагнитные клапана.