Тема: Теплообмен в топке котлоагрегата.

 

Топка котельной установки служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой, а также для организации теп­лообмена между высокотемпературной средой и поверхностями нагрева, расположенными в топке, этот процесс осложняется еще и тем, что в топке происходят одновременно горение топ­лива и движение продуктов сгорания. Источником излучения в топке является горящее топливо. Процесс излучения складыва­ется из излучений топлива, газов и обратного излучения тепло­воспринимающих и других ограждающих поверхностей.

Твердые тела излучают энергию поверхно­стью, а газообразные — всем объемом. Так как энергия излуче­ния газов С0₂, S0₂ и водяных паров Н₂0 значительна, а азота и кислорода — ничтожно мала, то считают, что в топках энергию излучают в основном трехатомные газы (С0₂, S0₂) и водяной пар (Н₂0).

В топочном объеме наблюдается пространственное, несим­метричное поле температур излучающей среды; максимальная температура, близкая к теоретической, располагается в зоне ядра факела, а минимальная — на выходе из топки.

Современный метод расчета теплообмена в топке, разрабо­танный советскими учеными, основывается на приложении тео­рии подобия к топочным процессам. Исходным выражением для расчета является уравнение подобия, предложенное ЦКТИ:

θ"_т = Т"_т / Т_а = Во^0,6 / (М α_т ^0,6 + Во^0,6) (7.1)

где θ"_Т — относительная температура продуктов сгорания на выхо­де из топочной камеры (безразмерная величина); Т"_Т — абсолютная температура газов на выходе из топочной камеры, К; Т_а — абсолютная температура газов, которая была бы при их адиабатическом сгорании, К; Во — число Больцмана; М — параметр, учитывающий характер распределения температуры по высоте топочной камеры; α_т — сте­пень черноты топки.

Уравнение подобия (7.1) справедливо для 0"_т ≤ 0,9; Во ≤ 19.

В_о = (φ∙ В_р ∙ V_rc_cр) / (Ϭ_о ∙ Ѱ_cp ∙ F_ст ∙ Т_а³ (7.2)

где φ = 1 — q₅ / (q ₁ + q₅) — коэффициент сохранения теплоты; В_р — рас­четный расход топлива, кг/с; V_rc_{c р} - средняя суммарная удельная тепло­емкость продуктов сгорания топлива, кДж/(кг∙К); Ϭ_о = 5,67∙10^-8 — ко­эффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²∙К⁴); Ѱ_cp — среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; F_ст — поверх­ность стен топки, м².

Суммарная площадь поверхностей стен топки F_ст равна сум­ме площадей всех поверхностей, ограничивающих ее активный объем: экранированных и неэкранированных стен, свода, вы­ходного окна, пода или верхней половины холодной воронки, а если топка слоевая, то еще и площади зеркала горения.

Лучевоспринимающая площадь поверхности топочного объ­ема Н_л равна сумме лучевоспринимающих площадей поверхно­сти F_л отдельных ее участков: Н_д = ∑ Н_{л i}, м² (H_{л i} — это площадь непрерывной плоскости, которая по тепловосприятию эквива­лентна действительной, не закрытой огнеупорными материала­ми и незагрязненной площади экрана).

Н_{л i} = F_пл ∙ χ_ф (7.3)

где F_пл — площадь элемента стен топки, занятая лучевоспринимающей поверхностью, м²; χ_ф — угловой коэффициент или фактор формы лучевоспринимающей поверхности данного участка, который зависит от конструктивных характеристик экранов (e/d, S/d, номограмма1, стр.214 Нормативного метода).

Значение χ_ф меняется от 1,0 для сплошных экранов, полностью экранирующих стены топки, до 0,4—0,7 — для однорядных гладкотрубных экранов, 0,1 — для тепло­изолированных экранов.

Площадь элемента стен топки, занятую экранами, опреде­ляют по расстоянию между осями крайних труб экрана b, м, и по освещенной длине труб экрана l, м; F_пл = b∙l. Лучевоспринимающие поверхности, расположенные в выходном окне топочного объема и за ним (фестон, пароперегреватель, испарительные пучки труб), полностью поглощают падающий на выходное окно лучистый тепловой поток, поэтому в этом случае χ_ф = 1,0. От­ношение площади стен топочной камеры, занятой лучевоспринимающими поверхностями Н_л, к полной площади ее стен F_ст называется степенью экранирования топки

χ = Н_л / F_ст

В процессе эксплуатации экраны топки загрязняются, что приводит к уменьшению их тепловосприятия. В ряде случаев часть экранов ошиповывают и закрывают огнеупорной массой, что также приводит к уменьшению их эффективности, это учи­тывают при расчете вводом коэффициента загрязнения и закры­вания экранов ζ. Значение коэффициента ζ, зависит от типа эк­ранов и вида сжигаемого топлива и в котлах может изменяться от 0,65 для гладкотрубных экранов при сжигании газообразного топлива до 0,10 для экранов, закрытых шамотным кирпичом при сжигании всех видов топлива (табл. 6-3, стр.42 Нормативного метода).

Отношение количества лучистой теплоты, воспринятой лу- чевоспринимающей поверхностью определенного участка i стен топки к падающему на участок тепловому потоку, называют коэффициентом тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности Ѱ:

Ѱ = ζ∙Н_{л i} / F_{ст i} (7.4)

 

Для неэкранированных участков стен топки Ѱ = 0. Среднее значение коэффициента тепловой эффективности всей топки рассчитывают с учетом всех экранированных и неэкранирован­ных ее участков, т. е.

Ѱ_ср = ∑ ζ∙Н_{л i} / F_ст

Площадь суммарной эффективной лучевоспринимающей поверхности топочной камеры, имеющей открытые глад­котрубные экраны и экраны, закрытые огнеупорным материа­лом, определяют из соотношения

∑ ζ∙Н_{л i} = ζ_отк ∙ Н_{л отк} + ζ_закр ∙ Н_{л закр}

где ζ_)ткр и ζ_закр — коэффициенты загрязнения и закрытия экранов; Н_{л отк} и Н_{л закр} — площади лучевоспринимающих поверхностей откры­тых и закрытых экранов, м².

Подставляя значение (7.3) в выражение (7.4), получаем

Ѱ = ζ ∙ χ (7.5)

где χ – угловой коэффициент экрана

Особенности процесса горения при расчете теплообмена в топке учитываются параметром М, величина которого зависит от относительного местоположения х _т по высоте топочной каме­ры, максимума температур:

х _т = Х _т / Н

где Х _т — расстояние от пода топки или середины холодной воронки топ­ки до расположения зоны максимальных температур, м; Н — высота топки, м, определяемая как расстояние по вертикальной оси топочной камеры от пода топки или середины холодной воронки до середины вы­ходного окна топки (рис. 7.10).

 

 

Рис. 7.10. Схема топки котлоагрегата для определения величин Н и х_т

 

В котельных установках с камерными топками основная мас­са топлива выгорает на уровне расположения горелочных уст­ройств, поэтому х _т = х _г, где х _г = Х _г / Н — величина, представляю­щая собой отношение высоты расположения осей горелок Х _г (от пода топки или середины холодной воронки) к высоте топки Н. Влияние качества перемешивания топлива с воздухом, наклона горелок, х арактеристик топлива, качества распыливания жидко­го топлива (от которого зависит положение максимума темпера­тур в топке) учитывается поправкой ∆х так, что

х _т = х _г + ∆х.

При затянутом процессе горения и плохом начальном пере­мешивании топлива с воздухом величина ∆х = +0,1; при наклоне горелок вниз ∆х = —0,1. При сжигании газа или мазута с недос­татком воздуха в горелках α_r <1∙ ∆х = 2∙ (1 — α_г). Для котельных установок паропроизводительностью меньше 35 т/ч при сжига­нии в топке газа или мазута принимают ∆х = 0,15. Для котельных установок со слоевыми топками при сжигании твердого топлива в тонком слое величина х _т=0, а в толстом слое х _т = 0,14; для котельных установок малой мощности с подовым расположением горелок при сжигании газообразного топлива величина х _т=0, а при сжигании мазута х _т=0,1. Для топок с горизонтальным развитием факела (топки котельных агрегатов ДКВр,КЕ,ДЕ с низкой компоновкой) рекомендуется
принимать величину х_т = 0,3.

Параметр М при сжигании газа и мазута рассчитывают по формуле

М = 0,54 - 0,2 х_т (7.6)

При камерном сжигании высокореакционных твердых топлив и
слоевом сжигании твердых топлив всех типов величина М равна:

М = 0,59 - 0,5 х_т (7.7)

При камерном сжигании малореакционных твердых топив (угля АШ и Т), а также каменных углей с высокой зольностью величину М определяют:

М = 0,56 — 0,5х_т. (7.8)

Максимальное значение в формулах (7.7) и (7.8) для ка­мерных топок принимается не выше 0,5.

В уравнение (7.2) входит средняя суммарная удельная теп­лоемкость продуктов сгорания топлива V_rc_cр, которая определя­ется из теплового баланса топки:

V_гc_ср = (Q _т - I ^"_т) / (Т_а - Т"_т) (7.9)

 

где Q _т — полезное тепловыделение в топке, кДж/кг, (кДж/м³); I ^"_т — энтальпия продуктов сгорания 1кг(1м³) топлива при температуре Т"_т, избытке воздуха на выходе из топки α_т, кДж/кг, (кДж/м³); Т_а — адиабатическая (абсолютная теоретическая) температура горения топлива, °С, определяется по полезному тепловыделению в топке Q _т, при избытке воздуха α_т; Т"_т — температура продуктов сгорания на выходе из топки, °С.

Полезное тепловыделение в топке, которое указано в урав­нении (7.9), определяют из выражения

Q _т = [ Q _р ∙ (100– ԛ ₃– ԛ ₄– ԛ _6шл) ԛ ₃ / (100+ ԛ ₄)] + Q _в – Q _в.вн (7.10)

 

где Q _р — располагаемая теплота, внесенная в топку (Q _р = Q ^r_н); Q _в — тепло­та, вносимая в топку воздухом; Q _в.вн —теплота, полученная воздухом от внешних источников вне котельного агрегата. Все величины имеют размерность кДж/кг или кДж/м³.

Под теоретической температурой го­рения топлива Т_а °С понимают температу­ру, которую имели бы продукты сгорания при полном сгорании топлива в адиабатных условиях (при отсутствии теплообмена с внешней средой), определяется из соотношения Т_а = Q _т /V_гc_г. Следует отметить, что теоретическая температура горения топ­лива зависит только от теплоты, внесенной в топку с топливом и воздухом, и от коэффициента избытка воздуха α. В реальных условиях в топке процессы горения и теплообмена протекают одновременно, поэтому температура продуктов сгорания в топке всегда будет ниже теоретической. Учитывая, что средняя сум­марная удельная теплоемкость продуктов сгорания топлива V_гc_ср в выражении (7.9) зависит от искомой температуры продуктов сгорания на выходе из топки Т"_т. При расчете ориентировочно (с последующим уточнением) принимают температуру продуктов сгорания на выходе из топки Т"_т по табл. 7.1, значение которой должно быть ниже температуры начала деформации золы.

 

Таблица 7.1. Значения температуры продуктов сгорания на выходе из топки Т"_т, ^оС

 

Тип топки и вид сжигаемого топлива	Паропроизводительность агрегата D. т/ч
< 20	> 20
Слоевые и факельно-слоевые топки
антрациты АС и АМ
каменные угли
бурые угли
Торф и древесные отходы
Пылеугольные топки
антрациты, полуантрациты и тощие угли	–
каменные угли	–
бурые угли	–
Топки для газа и мазута
мазут
газ

 

В исходное выражение (7.1) входит также величина степени черноты топки α_т, которая влияет на тепловыделение и теплообмен в топке (чем больше размещено экранов и чище их поверхности, тем ниже величина α _т, и наоборот).

При сжигании твердого топлива в слоевых и факельно-слоевых топках степень черноты может быть найдена из выражения

α_т = [α_ф + (1 – α_ф) ∙ρ] / [1 – (1 – α_ф) ∙ (1 – ρ) ∙ (1 – Ѱ_ср)] (7.11)

Величину α_т определяют с учетом соотношения между пло­щадью зеркала горения R и площадью поверхности стен топки F _cт; ρ = R / F _ст.

Таблица 7.2.Типоразмеры механических топочных устройств, выпускаемых промышленностью

Наименование и типоразмер топки	Размер колосникового полотна, мм	Площадь зеркала горения, м2, R
Ширина	Длина
Топка с чешуйчатой цепной решеткой: ТЧ – 2,7/6,5 ТЧ – 2,7/8,0 ТЧ – 3,07/5,6   Топки с пневмомеханическим забрасывате- лем и цепной решеткой обратного хода: ТЛЗ – 2,7/3,0 ТЛЗ – 2,7/4 ТЧЗ – 2,7/5,6 ТЧЗ – 2,7/6,5   Топки с пневмомеханическим забрасывате- лем и цепной решеткой обратного хода: ТЛЗМ – 1,87/3,0 ТЛЗМ – 2,7/3,0			15,5 19,5 14,8 6,4 9,1 13,4 15,8 4,4 6,4

 

В камерных топках ρ = 0, поэтому выражение (7.11) принимает вид

α_т = α_ф / [α_ф + (1 – α_ф) ∙Ѱ_ср] (7.12)

величина α_ф — эффективная степень черноты факела, зависящая от степени черноты светящейся и не светящейся части газовой среды, способа и вида сжигаемого топлива. Степень черноты факела рассчитывают по формуле

α_ф = 1 – е ^–крs (7.13)

где k — коэффициент ослабления лучей топочной средой, 1/ (м∙МПа); р — давление в топке, МПа; s — эффективная толщина излучающего слоя, м [ S= 3,6∙ (V _т / F _ст) ].

Коэффициент ослабления лучей топочной средой К за­висит от многих факторов, из которых основными являются: род сжигаемого топлива — отношение содержания в нем углерода к водороду в рабочей массе топлива; определяющее содержание сажистых частиц в пламени; массовая концентрация золы в га­зах и средний диаметр ее частиц, определяющие ослабление лу­чей золовыми частицами; наличие частиц кокса (при сжигании твердых топлив) и др. Для всех видов топлива ослабление лу­чей объясняется наличием смеси трехатомных газов в топочном объеме, так как в присутствии в спектрах продуктов сгорания полос с одинаковыми длинами волн часть энергии, излучаемой одним газом, поглощается другим газом. Коэффициент ослабле­ния лучей топочной средой k рассчитывается по температуре Т"_т и составу газов на выходе из топки. При его определении учитывается излучение трехатомных газов (RO₂, H₂O) и взвешенных в их потоке частиц сажи, летучей золы и кокса.

 

k = k ^о_г ∙ r_п + k _зл ∙ μ_зл+ k _кокс ∙ ϰ₁ ∙ ϰ₂ (7.14)

где К _{г =} k ^о_г ∙ r_п — коэффициент ослабления лучей несветящейся частью про­дуктов сгорания ,r_п = r_RO2 +г_Н2о — суммарная объемная доля трехатомных газов; К _г, К _зл, К _кокс — коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами, золовными и коксовыми частицами, 1/(м∙МПа); ∙ μ_зл — концентрация золовых частиц, г/м³; ϰ₁ и ϰ₂ — ко­эффициенты, учитывающие влияние концентрации коксовых частиц в факеле и зависящие от вида топлива (ϰ₁) и способа его сжигания (ϰ₂). Для низкореакционных топлив (АШ, ПА, Т) — ϰ₁ = 1,0; для высоко­реакционных топлив — ϰ₁ = 0,5; при камерном сжигании ϰ₂ = 0,1, при слоевом — ϰ₂ = 0,03;

К _г, К _зл, К _кокс определяют по эмпирическим форму­лам, приведенным в Нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов.

к_г = к^о_г ∙ r_п = [(7,8 + 16 r_H2O) / ) – 1]∙ [1 – 0,37∙ 10^-3 ∙ T^"_т ]∙ r_п (7.15)

(п.6-08, формула 6-13, стр.37 Нормативного метода)

где р_п = r_п ∙ р – парциальное давление трехатомных газов (для агрегатов, работающих без наддува р = 1 кгс/см² ≈ 0,1МПа, (парциальное давление газов численно равно их доле). При расчете к^о_Г необходимо Т"_Т перевести в К^о

 

Коэффициент поглощения лучей частицами золы (k _зл ∙ μ_зл) определяем по (п.6-10, формула 6-16, стр.38 Нормативного метода)

к_зл µ_зл = [(10⁴ А_зл) / ] [µ_зл / (1 + 1,2∙ µ_зл∙S)] (м ∙ М Па) ^-1 (7.16)

А_зл определяем по таблице 7.3 (табл.6-1, стр.38 Нормативного метода).

 

Таблица 7.3.Кэффициент А_зл для топок с твердым шлакоудалением

Вид топлива	Азл
АШ Каменный и тощий уголь Бурый уголь Сланец Торф Для экибастузского угля при R90 ≤ 15%	1,00 0,80 0,75 0,75 0,60 1,00

Для топок с жидким шлакоудалением А_зл принимается на 0,10 выше приведенных в таблице 7.3.

µ_зл – концентрация золы в продуктах сгорания, µ= (А^r ∙α_ун) / (100∙ Ԍ_г) кг/кг – определяется по формуле (4-11), стр. 23 Нормативного метода; α_ун – доля золы топлива, уносимой газами, определяется табл. 18, 19, 20 Нормативного метода; масса продуктов сгорания – Ԍ_г = 1 – А/100 + 1,306∙α∙V^н_о кг/кг

Коэффициент поглощения лучей частицами кокса k _кокс∙µ_кокс принимается по таблице 7.4 (табл. 6–2 стр.38 Нормативного метода).

Таблица 7.4.Коэффициент поглощения лучей частицами кокса k _кокс∙µ_кокс

Вид топлива	k кокс∙µкокс 1/(м∙МПа)
АШ, тощий уголь Каменный уголь Бурый уголь, сланец, торф	0,25 0,20 0,10

 

При сжигании жидкого и газообразного топлива эффектив­ную степень черноты факела рассчитывают по формуле

α_ф = m ∙ α_св + (1 – m) ∙ α_г (7.15)

где т — коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела, принимается по табл. 7.5; α_св и α_г — степени черноты светящейся части факела и несветящихся трехатомных газов, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами.

Таблица 7.5. Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела

Вид сжигаемого топлива и удельная нагрузка топочного объема	Коэффициент m
Газ при сжигании светящимся факелом с ԛ V ≤ 400кВт/м3 То же при ԛ V ≥ 1000кВт/м3 Мазут при ԛ V ≤ 400кВт/м3 То же при ԛ V ≥ 1000кВт/м3	0,1 0,6 0,55 1,0

 

В топке с тепловым напряжением объема топки q_v ≤ 400 кВт/м³ коэффициент т при сжигании газообразного топлива равен 0,1, а при сжигании мазута т = 0,55; при q_v ≥ 1000 кВт/м³ для газообразного топлива т = 0,6, а для мазута т = 1,0.

Степень черноты светящейся части факела равна:

α_св = 1 – е ^{– К св ∙Р∙ S} (7.16)

а несветящейся части (газов)

α_г = 1 – е ^{– К г ∙Р∙ S}

Коэффициент ослабления лучей светящейся частью продук­тов сгорания

К _св = К _г + К _саж (7.17)

где К _саж – коэффициент ослабления лучей частицами сажи: К _саж = f(α_т,Т"_т, С^г, Н^г); С^г, Н^г — содержание углерода и водорода в топливе, %; К _саж — определяют по эмпирическим формулам:

К _саж = 0,3(2 – α_т) (1,6∙10^-3 Т"_т – 0,5) С^r/Н^r (7.18)

где С^r/Н^r–соотношение между содержанием углерода и водорода в рабочей массе топлива; при сжигании природного газа его находят по составу горючих газов:

С^r/Н^r= 0,12 ∑ m / n (C_mH_n) (7.19)

Правильность определения величин V _г, с _ср и α_ф оценивают по расхождению значений температуры продуктов сгорания на выходе из топки Т"_т, принятой предварительно и полученной в результате расчета по формуле (7.1). При расхождении не бо­лее чем на ±50 °С ошибка в определении V _г, с _ср и α_ф очень мала и практически не влияет на точность расчета температуры Т"_т,. Если же эта температура отличается от предварительно при­нятой более чем на ±50 °С, то найденную в результате расчета температуру Т"_т, следуетпринять за исходную, затем уточнить значения V _г, с _ср и α_ф и повторить расчет по формуле (7.1).

Для обеспечения надежной и бесперебойной работы ко­тельного агрегата при сжигании твердого топлива необходимо, чтобы температура продуктов сгорания на выходе из топки Т"_т не выходила за определенные пределы. Нижний предел ее ус­тановлен из условий устойчивого горения топлива (табл. 7.6). Если в топочной камере низкая температура, то затрудняется воспламенение топлива, ухудшается его выгорание как в слое, так и в объеме факела.

 

Таблица 7.6. Минимально допустимые температуры продуктов сгорания, ^оС, на выходе из топочной камеры

Топливо	Тип топки
Слоевая	Камерная открытая
Кусковый торф Бурые угли Каменные угли Антрацит и тощие угли		–

 

Верхний предел — максимальная температура газов на вы­ходе из топки — ограничивается необходимостью предотвра­щения шлакования поверхностей нагрева (экранов, фестона, конвективной поверхности), расположенных в выходном окне топочной камеры. При сжигании твердых топлив температу­ра газов на выходе из топочной камеры должна быть не выше средних температур начала деформации золы t _A. Для топочных камер, в которых сжигаются газообразные и жидкие топлива, ограничений температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры практически нет, так как возможность шла­кования поверхностей нагрева отсутствует. Некоторые ограничения накладываются условиями эксплуатации конвективных поверхностей нагрева и технико-экономическими показателями котельной установки. Так, например, не рекомендуется, чтобы температура газов на выходе из топочной камеры превышала 1250 °С для газа и 1200 °С для мазута (табл. 7/1).

Тепловосприятие топочной камеры. Тепловосприятие топочной камеры в расчете на 1 кг (м³) сгоревшего топлива оп­ределяют (в кДж/кг или кДж/м³)

Q ^т_л= φ (Q _т – I"_т) (7.20)

 

где φ — коэффициент сохранения теплоты; Q _т – полезное тепловыделение в топке; I"_т — энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, кДж/кг (кДж/м³);

Среднюю часовую удельную тепловую нагрузку лучевоспринимающих поверхностей в топочной камере (кВт/м²) подсчиты­вают по формуле

ԛ^ср_л = (В_р Q ^т_л) / Н^т_л (7.21)

Если топка типового котельного агрегата не соответствует за­данным условиям (виду топлива, паропроизводительности и т. д.) и необходима ее существенная реконструкция, то выполняют конструктивно-поверочный расчет теплообмена в топке. Конст­руктивно-поверочный расчет производят после определения ос­новных размеров топки, включая объем, площадь колосниковой решетки и основные габаритные размеры. Целью расчета являет­ся определение лучевоспринимающей поверхности топки, обес­печивающей охлаждение топочных газов до температуры, приня­той по условиям оптимального теплового режима работы топки.