Сделать доклад

Классификация органического топлива и его технические
характеристики.
Энергетическое топливо, требования к нему, классификация.
Органическое топливо (газообразное, жидкое и твердое) широко
используют в разного рода тепловых установках: в топках паровых и
водогрейных котлов, в том числе паротурбинных электростанций, в
промышленных печах и в сельском хозяйстве, в камерах сгорания газовых
турбин и воздушно-реактивных двигателей, в цилиндрах поршневых
двигателей внутреннего сгорания, в камерах сгорания
магнитогазодинамических электрогенераторов и т. д.
Топливо в любых теплотехнических установках сжигают для того, чтобы
получить теплоту в результате протекания экзотермических химических
реакций и получить раскаленные продукты полного сгорания (дымовые газы)
или продукты газификации.
В топках паровых котлов, в промышленных печах (кроме шахтных печей), в
двигателях внутреннего сгорания, в камерах сгорания газовых турбин
горение ведут с наибольшей полнотой, получая продукты полного сгорания.
В газогенераторах осуществляют газификационные процессы, в которых в
качестве окислителей используют кислород, воздух, водяной пар и
углекислый газ. Реакции, протекающие в таких устройствах, едины по своей
природе с реакциями горения, но в результате их получают горючие
газообразные продукты газификации.
Бывает и двух стадийное сжигание топлива: 1 - сначала топливо
газифицируется; 2 - затем (в том же устройстве) продукты газификации
полностью дожигаются.
Условия сгорания топлива в разных теплотехнических устройствах и
подготовка их к сжиганию различны, как различны и сами топлива.
Например, в топках паровых и водогрейных котлов и в промышленных печах
топливо сгорает при атмосферном давлении, в то время как в камерах

сгорания газовых турбин и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания
топливо горит при давлении, во много раз превышающем атмосферное.
Несмотря на указанное выше различие, в процессах сгорания различных
видов топлива много общего.
Органическое (углеводородное) топливо классифицируется:
1. По агрегатному состоянию – на твердое (уголь, торф, горючий сланец,
растительное топливо), жидкое (нефть и продукты ее переработки),
газообразное (природный и искусственный газы);
2. По происхождению – на естественное (добываемое из земных недр) и
искусственное (получаемое в результате переработки естественного топлива
и других природных веществ).
3. По области использования: энергетическое (для выработки
электроэнергии и теплоты); технологическое (для производства различных
промышленных продуктов).
4. По «сроку жизни»: возобновляемое (древесина, растения); условно
возобновляемое, у которого период накопления в земной коре составляет
несколько тысяч лет (торф); не возобновляемое (каменный уголь, сланцы,
нефть, газ).
Природные виды органического топлива подразделяют на следующие
группы:
Ископаемые (извлекаемые из недр): каменный и бурый уголь; природный
газ; торф; антрацит; нефть; горючие сланцы и другие.
Искусственные: бензин; керосин; сланцевое масло; топливные брикеты;
древесный уголь; гидролизный лигнин; отходы пищевой,
сельскохозяйственной и целлюлозно-бумажной промышленности; мазут;
газовое топливо, получаемое в виде побочного продукта при переработке
горючих сланцев, выплавке чугуна, пиролизе и других технологических
процессах; отходы деревоперерабатывающих производств (сухие опилки,
стружка, кусковые отходы.
Основными характеристиками органического топлива являются:
1) элементарный химический состав;
2) удельная теплота сгорания;
3) выход летучих веществ;
4) зольность;
5) влажность;
6) сернистость.
Элементарный состав топлива. Состав топлива является его важнейшей
начальной характеристикой, определяющей в дальнейшем целый ряд
показателей, используемых для анализа процессов, происходящих в
различных топливо использующих устройствах или при его технологической
переработке.
Твердые и жидкие топлива состоят из весьма большого количества
сложных соединений, молекулярное строение и минералогический состав
которых изучены недостаточно.
Состав твердого и жидкого топлива представляет сумму масс химических
элементов: углерода С, водорода Н 2 , кислорода О 2 , азота N 2 , серы S,
минеральных соединений А и влаги W. Сера может присутствовать в топливе
в трех видах: органическая S 0 , колчеданная S к  и сульфатная S c . Сумму S о +S к  =
S л  называют летучей серой. В твердом топливе различают рабочую, сухую,
сухую беззольную (горючую) и органическую массы, а в жидком – рабочую
и сухую массы.
Энергетическое топливо предназначено для сжигания с целью
непосредственного получения тепловой энергии или ее преобразования в
механическую и (или) электрическую энергию.
Качество твердого и жидкого топлива как источника тепловой энергии в
значительной мере определяется его элементарным составом, основным
горючим компонентом этих топлив является углерод. При полном сгорании
углерода выделяется 34,4 МДж/кг теплоты6 что с учетом его значительного
содержания в горючей массе топлива (50% в древесине до 95% в антраците)
обеспечивает преимущественную долю общего тепловыделения топлива.

Вторым по назначению горючим компонентом топлива является водород,
при сгорании которого выделяется 119 МДж/кг. Содержание водорода в
горючей массе твердых и жидких топлив изменяется от 2 (антрацит) до 10,5
% (мазут).
Кислород и азот является нежелательными составляющими горючей массы
топлива, так как их наличие снижает в топливе содержание основных
горючих элементов – углерода и водорода. Наличие кислорода в
органической массе топлива свидетельствует о частичном содержании
углерода и водорода в окисленном состоянии, а это уменьшает теплоту
сгорания топлива. Содержание кислорода в топливе уменьшается по мере
увеличения геологического возраста топлива. Азот горючей массы при
сгорания топлива переходит в продукты сгорания в газообразном состоянии.
Кислород и азот иногда называют внутренним или органическим балластом
топлива.
Входящая в состав твердых и жидких топлив так называемая горячая сера
(органическая и колчеданная) окисляется при горении топлива с
образованием сернистого газа SO2. при этом выделяется 9,3 МДж/кг
теплоты, что существенно меньше, чем при сгорании водорода или углерода.
Частично сера сгорает с образованием серного ангидрида SO3, однако это в
технических расчетах не учитывается. Наличие серы в топливе снижает
содержание водорода и углерода в горючей массе, а значит, уменьшает и
теплоту сгорания топлива. Кроме того, образующиеся окислы среды
способствуют коррозии металлических элементов топливоиспользующих
установок, отрицательно влияют на окружающую среду. Содержание серы в
горючей массе твердых и жидких топлив изменяется от 0,5 до 7 % (в
горючих сланцах 15%).
Зола и влага являются нежелательными компонентами состава топлива, его
внешним балластом. Повышение содержания золы и влаги в рабочей массе
топлива приводит, к соответствующему уменьшению его горючей части, а
значит к снижению тепловыделения единицей массы топлива. При сжигании

влажных топлив затрачивается определенное количество теплоты на нагрев и
испарение влаги и перегрев водяных паров, что дополнительно уменьшает
количество выделившиеся теплоты и соответственно температуру горения.
Газовое топливо (природное или искусственное) представляет собой
физическую смесь горючих и негорючих индивидуальных газов, и водяных
паров. К индивидуальным горючим газам относятся: окись углерода СО,
водород Н2, метан СН4, сероводород Н2S, разнообразные предельные и
непредельные углеводороды СmНn. К негорючим газам относятся: двуокись
углерода СО2, сернистый газ SО2, азот N2 и кислород О2.
Состав газового топлива определяется процентным содержанием в нем
соответствующих газов и для сухого топлива в общем случае представляется
в виде:

СО+ Н2+ СН4 +Σ СmНn+ Н2S+СО2 + N2 + О2=100%

Влагосодержание газового топлива dт, г/м3 определяется количеством
водяных паров, приходящихся на 1 м3 сухого газового топлива,
приведенного к нормальным условиям – температуре 273°C (0°C) и
давлению 0,1013 МПа (760мм рт.ст.).
При наличии в газовом топливе других примесей (угольной и минеральной
пыли, паров смолы и т.п.) их содержание выражается аналогично
содержанию водяных паров.
Иногда в топливоиспользующих установках сжигается смесь газовых
топлив (коксового и доменного газов, природного и коксового и т.д.).
Состав смеси двух газовых топлив, заданный объемными долями n1 и
n2=1-n1, определяется по формулам смещения аналогично как для твердого
топлива.

2. Основы теории горения органического топлива.
Общие сведения о процессе горения топлива.
Топливом называют вещество, выделяющее при определенных условиях
большое количество тепловой энергии, которую используют в различных
отраслях народного хозяйства для получения водяного пара или горячей
воды систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и производства
электроэнергии. Топливо бывает горючее и расщепляющееся. Горючее –
топливо, которое выделяет теплоту при взаимодействии с окислителем
(воздухом), а расщепляющееся (ядерное) – выделяет теплоту в процессе
торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при
взаимодействии их с нейтронами.
Горючее топливо делится на органическое и неорганическое.
В теплогенерирующих котельных установках (ТГУ) применяют
органическое топливо, которое по агрегатному состоянию делят на твердое,
жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и
искусственное. Естественные: уголь, торф, сланцы, древесина, природный
газ, попутный газ нефтяных месторождений. Искусственные (синтетические,
композиционные): топливные брикеты, торфяной кокс, дизельное и
соляровое топливо, мазут (топочный, бытовой), топливные эмульсии и
суспензии, доменный, коксовый, сланцевый газ.
Горением называется быстрый процесс экзотермического окисления
горючего вещества, сопровождающегося выделением значительного
количества тепловой энергии. Особенности процесса горения, отличающие
его от родственных процессов окисления: высокая температура;
быстротечность по времени; неизотермичность; изменение концентрации
компонентов, структуры и формы поверхности реагирования во времени.
По своей природе горение – процесс, протекающий при непрерывном
подводе горючего и окислителя в зону горения и отводе газообразных
продуктов сгорания. В основе процесса горения лежат экзотермические и
эндотермические реакции, которые описываются стехиометрическими

уравнениями и принципиальной особенностью которых является их
обратимость (принцип ЛеШателье). Основы теории цепных реакций
разработаны Н.Н. Семеновым. Для протекания реакции необходимо
перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами,
необходим процесс массопереноса реагирующих компонентов в зону
реакции и продуктов реакции из нее.
Процесс массопереноса осуществляется в турбулентном потоке за счет
турбулентной диффузии, а в ламинарном потоке, неподвижной среде и в
пограничном слое – за счет молекулярной диффузии, которые при
постоянной температуре и давлении описываются законом Фика. Если
реакция горения протекает мгновенно, то это явление называется взрывом.
В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ химические
реакции горения делят на:
1) гомогенные – протекающие в объеме между компонентами,
находящимися в одной фазе (газ и воздух);
2) гетерогенные – протекающие на поверхности раздела фаз (уголь или
капля мазута и воздух).
Теплота сгорания топлива
Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива,
называется его теплотворностью, или теплотой сгорания и измеряется в
кДж/кг или кДж/м3. Теплота сгорания – основной параметр органического
топлива, характеризующий его энергетическую ценность, и для расчетов
определяется по таблицам.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую
теплотворность Q р в принимают количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1
м3) рабочего топлива, причем, считают, что водяные пары, образующиеся от
сгорания водорода и испарения влаги топлива, конденсируются. Низшей
теплотой сгорания топлива Q р н называют количество теплоты, выделенное 1
кг (или 1 м3) рабочего топлива, без учета конденсации водяных паров.

В реальных условиях водяные пары уходят в атмосферу, не
сконденсировавшись, и поэтому для расчетов используют низшую теплоту
сгорания топлива. Теплота Q р н меньше Q р в на теплоту парообразования
водяных паров (2460 кДж/кг).
Удельная теплота сгорания твердого и жидкого топлива определяется
сжиганием 1 г топлива в калориметрической бомбе, заполненной
кислородом, которая помещается в сосуд (калориметр) с водой, а
приращение температуры воды измеряется метастатическим термометром.
Удельная теплота сгорания газообразного топлива определяется в
калориметре путем сжигания исследуемого газа в воздушной среде. Расход
газа измеряется счетчиком, а выделившаяся при этом теплота передается
потоку проточной воды, расход которой определяется взвешиванием, а
приращение температуры – термометрами.
Учет запасов разных видов топлива ведут в пересчете на условное топливо,
теплота сгорания которого принимается равным 29 308 кДж/кг (7000
ккал/кг).
Для перевода натурального топлива В н в условное – В у , используют
тепловой эквивалент Э = Q р н / 29308, и тогда В у = В н Э.

Способы сжигания органического топлива

Если за определяющий параметр взять скорость движения воздуха wв
относительно скорости движения частиц топлива vт, то по этому параметру
выделяют четыре технологии сжигания топлива.
1. В плотном фильтрующем слое (wв >> vт).
Применяется только для кускового твердого топлива, которое
распределяется на колосниковой решетке. Слой топлива продувается
воздухом со скоростью, при которой устойчивость слоя не нарушается и
процесс горения имеет кислородную и восстановительную зону.
Видимое тепловое напряжение колосниковой решетки составляет QR =

1,1…1,8 МВт/м2.
2. В кипящем или псевдоожиженным слое (wв > vт).
При увеличении скорости воздуха динамический напор может достигнуть, а
затем и превысить гравитационную силу частиц. Устойчивость слоя
нарушится и начнется беспорядочное движение частиц, которые будут
подниматься над решеткой, а затем совершать возвратно-поступательное
движение вверх и вниз.
Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя, называется
критической. Увеличение ее возможно до скорости витания частиц, когда
они выносятся потоком газов из слоя. Значительная часть воздуха проходит
через кипящий слой в виде «пузырей» (газовых объемов), сильно
перемешивающих мелкозернистый материал слоя, в результате процесс
горения по высоте протекает практически при постоянной температуре, что
обеспечивает полноту выгорания топлива.
Для кипящего псевдоожиженного слоя характерна скорость воздуха 0,5…4
м/с, размер частиц топлива 3…10 мм, высота слоя не более 0,3…0,5 м.
Тепловое напряжение объема топки QV = 3,0…3,5 МВт/м3.
В кипящий слой вводят негорючий заполнитель: мелкий кварцевый песок,
шамотную крошку и др. Концентрация топлива в слое не превышает 5 %, что
позволяет сжигать любое топливо (твердое, жидкое, газообразное, включая
горючие отходы). Негорючий наполнитель в кипящем слое может быть
активным по отношению к вредным газам, образующимся при горении.
Введение наполнителя (известняка, извести или доломита) дает возможность
перевести в твердое состояние до 95 % сернистого газа.
3. В потоке воздуха (wв ≈ vт) или факельный прямоточный процесс.
Частицы топлива оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и
начинают перемещаться вместе с ним, сгорая во время движения в пределах
топочного объема. Способ отличается слабой интенсивностью, растянутой
зоной горения, резкой неизотермичностью; требуется высокая температура
среды в зоне воспламенения и тщательная подготовка топлива

(распыливание и предварительное перемешивание с воздухом). Тепловое
напряжение объема топки QV ≈ 0,5 МВт/м3.
4. Циклонное сжигание топлива (wв ≤ vт). Частица или капля топлива
циркулирует по организованному контуру потока столько раз, сколько
необходимо для ее полного сгорания. При этом достигается наибольшая
скорость сгорания с одновременной интенсификацией массопереноса.
Тепловое напряжение объема топки QV ≈ 1,3 МВт/м3.
Расчет горения органического топлива
Расчет сводится к определению количества воздуха, необходимого для
полного сгорания топлива, продуктов горения, а также температуры и
энтальпии дымовых газов. Расчет твердого и жидкого топлива ведут по
соотношениям масс веществ, участвующих в реакциях, а для газообразного
топлива – по объемным соотношениям.
Для полного сжигания 1 кг углерода С требуется 1,866 м3 кислорода О2, в
результате чего образуется 1,866 м3 двуокиси углерода СО2 и выделяется 34
МДж (34 000 кДж) теплоты:

С + О2 = СО2 + Q.

Для полного сгорания 1 кг серы S требуется 0,7 м3 кислорода О2, в
результате образуется 0,7 м3 сернистого газа SО2 и выделяется 10,5 МДж
теплоты:

S + О2 = SО2 + Q.

Для полного сгорания 1 кг водорода Н2 требуется 5,6 м3 кислорода О2,
образуется 11,2 м3 водяного пара Н2О и выделяется 121,5 МДж теплоты:

2Н2 + О2 = 2Н2О + Q.

Для полного сгорания 1 м3 метана СН4 требуется 9,52 м3 воздуха Vо,
образуется 10,52 м3 дымовых газов, содержащих СО2 и водяные пары Н2О,
и выделяется 36,5 МДж теплоты:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q.

При полном сгорании топлива дымовые газы содержат углекислый газ СО2,
сернистый газ SО2, азот топлива и воздуха N2, неиспользованный при

горении кислород О2 воздуха, водяной пар Н2О, полученный за счет
окисления водорода топлива, испарения влаги, содержащейся в топливе и
внесенной с влажным воздухом и при распылении жидкого топлива (в
паромеханических форсунках).
Для полного горения топлива необходимы: достаточное количество
воздуха; хорошее перемешивание воздуха с топливом; высокая температура
в топке (не менее 700 °С на выходе); достаточное время пребывания топлива
и окислителя в топке; постоянный отвод продуктов сгорания из топки.
При неполном сгорании топлива образуются вредные для человека и
окружающей среды оксиды азота (NО, NО2), серы (SО2), углерода СО
(угарный газ), а также сажа, которая осаждается на экранных и конвективных
трубах, снижает теплопередачу от топочных газов к теплоносителю, что
приводит к уменьшению КПД и перерасходу топлива. Кроме того, сажа
может самовозгораться, что приводит к авариям.
Полнота сгорания топлива определяется двумя способами:
1) с помощью газоанализаторов – по показаниям состава уходящих
топочных газов оценивается полнота сгорания и избыток воздуха;
2) визуально – по цвету пламени и дыма. При полном сгорании цвет
пламени в разогретой топке голубовато-фиолетовый или прозрачно-
соломенный, а цвет дыма – бесцветный, прозрачный, невидимый для глаза –
летом и светлосерый или белый – зимой. При неполном сгорании цвет
пламени оранжевокрасный, с темными язычками, непрозрачный, а цвет дыма
– серый ближе к темному, непрозрачный.
Энтальпия воздуха и продуктов сгорания зависит от объема, теплоемкости
и температуры компонентов горения и вычисляется по формулам, после чего
строится график зависимости энтальпии от температуры топочных газов для
каждого элемента котла (топки, газоходов, пароперегревателя, экономайзера
и т.п.).
Различают теоретическую (калориметрическую) и действительную
температуру горения топлива.

Максимальную температуру, развиваемую при сжигании топлива,
называют жаропроизводительностью топлива. Теоретическая – это та
температура, которую приобрели бы дымовые газы, если бы вся теплота от
полного сгорания топлива воспринималась бы только дымовыми газами.
Калориметрическую температуру горения определяют из уравнения
теплового баланса. В реальных условиях горения топлива действительная
температура топочных газов всегда ниже теоретической за счет теплообмена
между топочными газами и радиационными поверхностями нагрева, а также
различных потерь теплоты в топке (механический, химический недожог и
др.).

3. Топочные устройства для твёрдого топлива, газа, мазута.
Классификация, основные характеристики и аэродинамические основы
работы топочных устройств.
Топки для сжигания твердого топлива
В настоящее время различают три способа сжигания топлива: слоевой,
факельный и вихревой (циклонный). Факельный и вихревой способы
сжигания топлива могут быть объединены в один, называемый камерным.
Выбор способа сжигания топлива зависит от мощности и конструкции
парогенератора и водогрейного котла, вида топлива и свойств его золы.
Сжигание топлива производится в топочном устройстве, представляющем
собой сочетание системы горелок или механизмов с топочной камерой,
которое предназначено для организации процесса горения. Такое разделение
условно, так как горелки и топочная камера органически связаны между
собой и воздействуют друг на друга.
Слоевые топки, применяемые только для сжигания твердого топлива под
котельными агрегатами мощностью до 28 МВт, весьма многообразны по
конструкции.

Классифицировать слоевые топки можно по различным признакам: по
характеру обслуживания, размещению и состоянию слоя топлива,
направлению движения топлива и воздуха.
В зависимости от характера обслуживания слоевые топки разделяются на
топки с ручным забросом топлива, полумеханические и механические.
В настоящее время для промышленных парогенераторов и водогрейных
котлов топки с ручным обслуживанием практически не применяют.

Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором
все операции (подача топлива и удаление шлака, а при необходимости и
шуровка слоя) выполняются механизмами. Если при обслуживании топки
имеется доля ручного труда, то топку называют полумеханической.

В зависимости от размещения и состояния слоя топки можно разделить на
топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим слоем
топлива, топки с движущейся колосниковой решеткой и перемещающимся
вместе с ней топливом, топки с неподвижной колосниковой решеткой и
перемещающимся по ней слоем топлива.

В зависимости от взаимного направления движения потоков топлива и
воздуха различают топки со встречной, поперечной и параллельной схемой
движения топлива и воздуха.

В практике проектирования, эксплуатации и испытания топочных
устройств пользуются итоговыми характеристиками, описывающими
количественную сторону огневого процесса. К этим характеристикам
относятся: мощность топки, форсировка топочного устройства, удельная
нагрузка топочного объема.
Топки для сжигания жидкого топлива
В топках промышленных парогенераторов и водогрейных котлов
сжигаются мазуты разных марок. Для сжигания мазута необходима его
предварительная подготовка: уменьшение вязкости и распыление, при
котором обеспечивается испарение мазута.
Распыление и распределение жидкого топлива в потоке окислителя
(воздуха) производится в одном из элементов горелки, называемом
форсункой. Под горелкой понимается устройство, состоящее из форсунки,
воздухонаправляющего аппарата и амбразуры.
Форсунки чаще всего классифицируют по способу распыления топлива.
Форсунки, в которых распыление топлива производится за счет

потенциальной энергии струи мазута, находящейся под давлением,
называются механическими. Форсунки, в которых для распыления мазута
используется кинетическая энергия распыливающего агента (воздуха, пара),
называются пневматическими. Форсунки, в которых для распыления мазута
используется механическая энергия вращающегося распылителя (диск или
стакан), называют ротационными.
К форсункам предъявляется ряд требований, основными из которых
являются: надежность; устойчивость зажигания и стабильность фронта
горения в широких пределах изменения нагрузки; обеспечение заданной
мощности агрегата и температуры перегрева пара; обеспечение полного
сжигания при минимальных коэффициентах избытка воздуха в широком
диапазоне изменения нагрузки; простота изготовления, ремонта,
обслуживания; минимальное сопротивление для прохода воздуха; быстрота
перехода на другой вид топлива (например, газ).
Топки для сжигания газа
В топках промышленных парогенераторов и водогрейных котлов главным
образом используется природный газ. Подготовка газа для его сжигания
производится в газогорелочном устройстве. Газогорелочные устройства в
зависимости от способа перемешивания в них газа с воздухом принято
разделять на горелки полного предварительного смешения, диффузионные и
частичного предварительного смешения.
В горелках полного предварительного смешения газ и воздух перед
поступлением в топку предварительно полностью перемешиваются в
необходимых для горения количествах, и после этого готовая газовоздушная
смесь подается в топку. В диффузионных горелках газ и воздух в
необходимых для горения количествах раздельно подаются в топку и
процесс перемешивания их протекает одновременно с процессом горения. В
горелках частичного предварительного смешения только часть воздуха,
необходимого для горения, перемешивается с газом, а остальной подается
непосредственно в топочную камеру как вторичный.

Способ перемешивания газа с воздухом, необходимым для горения,
оказывает существенное влияние на устойчивость фронта пламени и
характер факела, выдаваемого горелкой. Под устойчивостью фронта пламени
понимают процесс, при котором обеспечивается непрерывное и
самопроизвольное воспламенение новых порций газовоздушной смеси,
выходящей из горелки.

3.1 Классификация топок
На промышленных предприятиях получение различных теплоносителей
осуществляется в котельных установках при сжигании различных
органических топлив. Сжигание топлива в котлах и в различных
технологических аппаратах осуществляется в топочных устройствах
(топках).
По назначению все топки можно разделить на:
- тепловые;
- силовые;
- технологические.
Тепловые топки предназначаются для преобразования химической энергии
топлива в физическую теплоту высокотемпературных газов для
последующей передачи теплоты этих газов через поверхности нагрева
нагреваемой среде. Силовые топки служат для получения продуктов не
только с высокой температурой, но и с повышенным давлением. Эти
продукты сгорания используются непосредственно для силовых целей в
газовых турбинах, соплах реактивных двигателей и т.п.
Тепловые топки подразделяют на слоевые для сжигания кускового топлива
и камерные – для сжигания газообразного и жидкого топлива, твердого
топлива в пылевидном (мелкодробленом) состоянии, а также для сжигания
смеси топлив.
Независимо от схемы организации горения полное время сгорания любого
топлива в топке складывается из времени, необходимого для подвода

окислителя к топливу (смесеобразования), см , времени нагрева компонентов
горения до температуры воспламенения Н и времени, необходимого для
протекания самой химической реакции горения X , т.е.

ХНсмГ
(3.1)

Этапы смешения и нагрева являются здесь физической стадией процесса ф ,
а реакций горения – химической ф .
Если ф << ф , то процесс находится в кинетической области. Полное время
сгорания топлива определяется в этом случае скоростью химического
процесса. Для кинетической области ф  X .
Если время протекания химической реакции соизмеримо со временем
физической стадии ( X ), то процесс находится в промежуточной области и
полное время сгорания топлива определяется скоростью наиболее
медленного этапа.

3.2 Классификация, основные характеристики и аэродинамические основы
работы топочных устройств.

При слоевом процессе свободно лежащее на решетке топливо продувается
снизу воздухом. Скорость газовоздушного потока в слое такова, что
устойчивость слоя не нарушается, т.е. сила тяжести топливных частиц была
больше создаваемой газовым потоком подъемной силы


сила
подъемная
n
n
c

rrr
w
CFgVG
2

(3.2)

где Gч - сила тяжести частицы;
Wс – действительная скорость потока;
 п – плотность потока воздуха;
F – сечение частицы;

С – коэффициент сопротивления при внешнем обтекании частицы, зависит
от числа Рейнольдса. В слоевых топках размер частиц топлива 20-30 мм и
более.
Процесс в кипящем слое. При увеличении скорости дутья создаваемая
потоком подъемная сила может достигнуть значения, равного силе тяжести
частиц, и устойчивость частиц в слое нарушается: соответствующая этому
скорость дутья называется критической. С дальнейшим увеличением
интенсивности дутья начинается «кипение» слоя.
В кипящем слое скорость дутья превышает предел устойчивости плотного
слоя, однако средняя скорость газа в топке над слоем далека от скорости
витания основной массы частиц, т.е. скорости, при которой частицы
оказываются взвешенными в потоке.
Частицы топлива совершают в слое возвратно-поступательное движения до
тех пор, пока их масса не уменьшится настолько, что они выносятся из слоя
газовым потоком и догорают в потоке газов над слоем

n
n
n
rn
n
cw
CFGw
CF
22

(3.3)
где Wc – действительная скорость потока в слое, м/с;
Wn – действительная скорость потока над слоем, м/с.
При этом Wn< Wc.
Факельный прямоточный процесс. При скорости газового потока в
топочной камере, превышающей скорость витания частиц, последние
оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и вместе с ними
начинают перемещаться, сгорая в полете в пределах топочной камеры. Такой
топочный процесс называют факельным.

nЧrwdG3

(закон Стокса) (3.4)

где d ч – диаметр частицы, м;
µ - динамическая вязкость газовой среды, Н·с/м2;
W n – скорость потока в камере, м/с.

Факельным процессом осуществляется сжигание газообразного и жидкого
топлив. Газообразное топливо поступает в камеру вместе с воздухом через
специальное устройство – горелку. При прохождении через топочную камеру
газовоздушная смесь сгорает.

Вихревой (циклонный) процесс:

n
n
n
r
w
CFG
2
(3.5)

При циклонном процессе в отличие от факельного частица циркулирует по
организованному обтекаемому контуру столько, сколько необходимо для ее
сгорания или выносится в камеру догорания. Циркуляция газового потока в
циклонной топке сопровождается организацией на внутренней ее
поверхности за счет центробежных сил подвижного слоя, подверженного
интенсивному обдуванию. В результате имеют место интенсивное выгорание
частиц топлива, а также весьма эффективная сепарация жидкого шлака. В
циклонной камере улавливается 80-95% золы топлива. При циклонном
процессе время пребывания и интенсивность обдувания частицы
газовоздушным потоком увеличивается, поэтому здесь могут быть
использованы более крупные частицы.
Скорость выгорания углерода, кг/(м3 ·с)
,vpCSR

d
dC

 (3.6)

где Rp – результирующая константа скорости реакции, м/с;
C – концентрация окислителя, кг/м3;
S V – относительная поверхность топлива в единице объема топки, занятого
горящим топливом, м2/м3.
Величина R p зависит от температурного уровня процесса и размеров
сжигания частиц.
Показатели работы топочных устройств
Показателями работы топочных устройств являются:

– обеспечение заданной топливной мощности котла;
– надежность в условиях длительной эксплуатации;
– безопасность и простота в обслуживании;
– минимальные потери от химического и механического недожога;
– возможность изменения нагрузки котла;
– достаточно высокие технико-экономические показатели и низкий расход
энергии на собственные нужды;
– возможность применения резервного топлива.
Основные показатели:
– пригодность топки для данного вида топлива
– тепловая производительность
p
ppQBQ

(3.7)
– коэффициент избытка воздуха на выходе из топки
– потеря теплоты от хим. и мех. неполноты сгорания
– видимая обьемная плотность тепловыделения в топке

RQBqp
ppv/
(3.8)

– видимая плотность теплового потока зеркала горения

RQBqp
ppR/
(3.9)

– видимая плотность теплового потока, через сечения топки площадью F

T
p
ppFFQBq/
(3.10)
– доля золы, уносимой газами из топки ;
– параметры воздуха (перед топкой) t, p.

6.3 Сжигание газа в топках котлов

Основными горючими составляющими большинства газообразных топлив
являются оксид углерода СО, водород Н2, метан СН4 и значительно реже –
высокомолекулярные углеводороды СmHn

Полнота, интенсивность и устойчивость горения газов в первую очередь
зависят от физических факторов – температуры и условий смешения
горючего с окислителем. Если теплопотери зоны горения, связанные с
теплообменом с окружающей средой, превышают тепловыделение, то
горение невозможно. Для отдельных горючих газов и газообразных топлив
имеется температура воспламенения, существенно зависящая от условий
протекания процесса. Температура воспламенения природного и доменного
газов около 5300С, водорода 410-630°С, оксида углерода 610-660°С, метана
630-7900С.
Условия сжигания газов котла требуют:
– температура в топке котла должна быть выше температуры
воспламенения горючей смеси, в противном случае горение будет
неустойчивым;
– предварительный нагрев горючей смеси ускоряет зажигание и
интенсифицирует процесс горения.
Условия рационального сжигания газообразного топлива:
– хорошее перемешивание газа с окислителем;
– повышение температурного уровня процесса, что достигается подогревом
компонентов горения, а также снижением коэффициента избытка воздуха,
приводящим к увеличению скорости распространения пламени;
– создание хороших очагов воспламенения;
– увеличение поверхности фронта горения, что достигается турбулизацией
факела.