4.5. Топочные процессы в котле

Для лучшего воспламенения и эффективного сжигания разных топлив применяются различные конструкции топочных устройств. На рис.4.6 представлены наиболее часто применяемые нижние части топки с горелочными устройствами со стороны боковой стены.

Рис.4.6. Конструктивные схемы исполнения нижней части топочной камеры котла

1 – топочная камера; 2 – панели экранных поверхностей нагрева; 3 - горелки на боковых стенках; 4 – зажигательный (утепленный) пояс; 5 - пережим зоны горения топки; 6 – горелки на фронтовых стенках; 7 – муфели высокотемпературного горения; 8 – устройства шлакоудаления; 9 – под топки с жидким шлакоудалением; 10 – воронка твердого шлакоудаления.

Прежде всего топочные камеры котлов могут подразделяться на котлы с твердым (рис.4.6,а) и жидким шлакоудалением (рис.4.6, б, в, г, д, е). В котлах с твердым шлакоудалением нижняя часть топки должна быть охлаждаемой, чтобы температура шлака не поднималась выше 900⁰С и воронка 10 выполняется с большим углом наклона. При жидком шлакоудалении температура шлака должна быть не ниже 1400⁰С, поэтому нижнюю часть топки 9 утепляют различными способами: зажигательным поясом 4, пережимом 5, использованием высокотемпературных муфелей 7. В устройстве шлакоудаления 8 вытекающий из топки шлак охлаждается в водяной ванне, растрескивается на мелкие частицы из-за резкого изменения температуры (термический шок) и по гидроканалам отправляется на золоотвал. Топочная камера котла экранируется панелями труб поверхностей нагрева 2.

Для эффективного горения топлива в топке осуществляют активное перемешивание топливной субстанции с окислителем, в качестве которого используется кислород воздуха. Лучшее перемешивание происходит при вихревых движениях потоков. Поэтому в топке создают вихревые потоки различным способом: оригинальным размещением горелок, использованием специальных конструкций самих горелок (например, вихревых). На рис.4.7 показаны, применяемые в современных топках котлов, различные способы размещения горелок: только фронтальное (рис.4.7, а), встречное на боковых (рис.4.7, б) или на задней и передней стенках, встречное со смещением осей горелок (рис.4.7,в), встречное с размещением горелок по углам топки (рис.4.7,г), с размещением горелок по углам топки и с созданием тангенциального спирального вихря (рис.4.7,д). По высоте топки горелки располагаются в одном, двух и более ярусах. По конструкции сами горелки могут выполняться вихревыми и прямоточными.

Рис.4.7. Конструктивные схемы размещения горелок в сечении топки котла.

Количество воздуха, необходимое для полного выгорания 1 кг топлива при условии, что весь кислород, содержащийся в воздухе, реагирует с топливом называется теоретически необходимым . В реальных условиях горения в отдельных участках топочного объема топливо получает больше воздуха, чем требуется, а в других – меньше. Поэтому для полного выгорания топлива воздуха в топку приходится подавать больше, чем . Отношение действительного количества воздуха подаваемого для горения топлива к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха: ; при эксплуатации котлов поддерживают это соотношение равным α = 1,05 ÷ 1,25.

Располагаемая теплота сгорания топлива, кДж/кг (для твердых топлив) или кДж/м³ (для газомазутных топлив) определяется по уравнению:

,

где - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг или кДж/м³;

- теплота, вносимая в топку воздухом при подогреве его вне котла (калорифером на паре и др.), кДж/кг или кДж/м³;

- физическая теплота топлива при внешнем его подогреве, кДж/кг или кДж/м³;

- теплота, вносимая с паровым дутьем, кДж/кг или кДж/м³;

- теплота, затрачиваемая на разложение карбонатов в топливе (характерно для сланцев), кДж/кг или кДж/м³.

В процессе паропроизводства неизбежны потери, поэтому степень экономичности котла оценивается его к.п.д. Для определения к.п.д. составляется тепловой баланс котла:

, или

100 = (%),

где Q₁ , q₁ - использованная в котле теплота для производства перегретого пара, кДж/кг и % соответственно;

Q₂ , q₂ - потери тепла с уходящими газами, кДж/кг и %;

Q₃ , q₃ - потери тепла от химического недожега, кДж/кг и %, когда газообразные горючие элементы СО, Н₂, СН₄ могут не сгореть в котельном агрегате из-за пониженной температуры или недостатка кислорода; это особенно часто связано с недожегом СО;

Q₄ , q₄ - потери тепла от механического недожега, кДж/кг и %, в связи с тем что часть топлива, поступающего в топку не участвует по разным причинам во всех стадиях горения; q₄ ≈ 0,5 ÷ 5,0 %;

Q₅ , q₅ - потери тепла от наружного охлаждения котла, кДж/кг и %, т.к. стены котла и труб частично охлаждаются окружающим воздухом;

Q₆ , q₆ - потери тепла с физической теплотой шлака, кДж/кг и %, покидающего топку котла.

Коэффициент полезного действия брутто котла определяется по уравнению:

.

Коэффициент полезного действия нетто котла будет равен

,

где Q_ср – расход тепла на собственные нужды, кДж.

Наибольший к.п.д. котел имеет при номинальном режиме работы. При уменьшении нагрузки котла экономичность падает до нуля (при нулевой нагрузке). Современные котлы с жидким шлакоудалением могут снижать нагрузку не более чем на 20 ÷ 25 % от номинальной. Котлы с твердым шлакоудалением и газомазутные считаются более маневренными; на них нагрузка может изменяться на 70 ÷ 75 %.