Раздел II. Условия сгорания топлива. Расчёт топки.

4. Выбор системы топливоприготовления и горелочных устройств.

Подготовку твёрдых топлив к сжиганию осуществляют в системах пылеприготовления. Учитывая низкое содержание колчедана S^Р_К<4%, как в буром, так и в каменном угле, а также сравнительно большой выход летучих V^Г=25-50%, возможно применить схему с молотковой мельницей и непосредственной подачей пыли в топку. Для парового котла паропроизводительностью 9,75 кг/с устанавливают 2 молотковые мельницы.

1 — циклон, 2, 11 и 21 — воздуховоды, 3 — пылевой шнек, 4 и 20 — бункера гото­вой пыли и сырого топлива, 5 и 13 — дутьевой и мельничный вентиляторы, 6— топка котлоагрегата, 7 — воздухоподогрева­тель, 8 — горелка, 9, 12 и 16 — воздушный, распределительный и нисходящий короба, 10 — смеситель, 14 — сепаратор, 15 — мельница, 17— питатель, 18 — весовой бункер, 19 — весы, 22 — окно для отсоса горячих газов.

При размоле топлива в молотковой мельнице с непосредственной подачей пыли в топку установку выполняют по схеме, в которой сырое топливо из бункера 20 поступает в питатель 17 через весы 19 в сепаратор 14, располо­женный над молотковой мельницей 15. Во избежание попадания в сепаратор холодного воздуха через питатель и соединительный рукав устанавливают клапан-мигалку, закрывающий сечение рука­ва, который открывается даже при незначительном количестве топлива. Через сепаратор сырое топливо падает в молотковую мельницу 15, подвергается размолу и подсушивается горячим воздухом, подаваемым дутьевым вентилятором 5 через воздухоподогреватель 7. Топливо размалывается ударами бил в мельнице и потоком воздуха, проходящим через мельницу, выносится в сепаратор. Крупные частицы под действием силы тяжести возвращаются в мельницу, подвергаясь размолу, а готовая пыль поступает с пото­ком воздуха в горелку 8. Вторичный воздух подается из воздушно­го короба 9.

Молотковые мельницы применяют для размола бурых углей, фрезерного торфа, горючих сланцев и в отдельных случаях каменных углей с выходом летучих на горючую массу V^Г<25%.

При применении молотковых мельниц каждый шахтный сепаратор соединяют с фронтально расположенной горелкой МЭИ с тонкими струями, для которой принимаем : высоту амбразуры

h=1 м, ширину щелей b=0,25 м , расстояние между осями щелей а=1 м. Расстояние от крайней щели до боковой стены 0,5 м; скорость аэросмеси 8-15 м/с, вторичного воздуха 30-60 м/с. При эксплуатации котлоагрегата ТП-35 У устанавливают 2 молотковые мельницы типа ММА-1300-950, 2 пылеугольные горелки и 2 растопочных мазутных форсунки. Горелки расположены на фронтальной стороне топки в ряд.

5. Поверочный тепловой расчёт топки котла.

Цель поверочного расчёта при переводе котла на новый вид топлива - определение температуры газов на выходе из топки, θ", определяющейся условиями надёжности работы топки и последующих поверхностей нагрева. Крайние (граничные) условия согласно ([1], табл 6, стр 17) для заданного типа котла :

Минимально допустимая температура на выходе из топки θ"_min

При работе на каменном угле 820 ^оС

При работе на буром угле 800 ^оС

5.1 Определение конструктивных размеров и характеристик топочной камеры.

5.1.1 По чертежу котла в соответствии со схемой определения границ и длин экранов топки определяем конструктивные размеры топки, результаты сводим в таблицу 5.1.

Схема определения границ и длин экранов топки .

L^ф_ст= L_7-8-9

L^ф(х-в)_ст = L_9-10-1

L^з_ст = L_3-4-5

L ^з(х-в)_ст = L_1-2-3

Участок 1-2 0,714м

Участок 2-3 2.346м

Участок 3-4 6,528 м

Участок 4-6 1,632 м

Участок 6-7 3,264 м

Участок 7-8 5,1 м

Участок 8-9 7,14 м

Участок 9-10 1,836 м

Участок 10-1 1,734 м

L^ф_ст= L_7-8-9 7-8-9 12,24 м

L^ф(х-в)_ст = L_9-10-1 9-10-1 3,57 м

L^з_ст = L_3-4-5 3-4-5 8,16 м

L^з(х-в)_ст = L_1-2-3 1-2-3 3,06 м

L_ок= L_5-6-7 5-6-7 4,386 м

Таблица 5.1

Наименование	Обозначения	Ед. измерения	Источник или формула	Топочные экраны					Выходное окно
				Фронтовой		Боковой	Задний
				Осн. часть	Под или х. воронка		Осн. часть	Под или х. воронка
1. Расчётная ширина экранированной стены	bст	м	чертёж	bст^ф 4,28	bст^ф(х-в) 4,40	bст^б 4,8	bст^з 4,28	bст^з(х-в) 4,40	bок 4,18
2. Освещённая длина стены	Lст	м	Чертёж	Lст^ф 12,24	Lст^ф(х-в) 3,57	Lст^б	Lст^з 8,16	Lст^з(х-в) 3,06	Lок 4,386
3. Площадь стены	Fст	м^2	bст∙ Lст	Fст^ф 52,38	Fст^ф(х-в) 15,7	Fст^б 48,94	Fст^з 34,92	Fст^з(х-в) 13,46	Fок 18,33
4. Площадь участка стены не защищённого экранами	F^n ст	м^2	Чертёж	Fст^ф^n 1,25	Fст^ф^n^(х-в) 0,0	Fст^б^n 2,72	Fст^з^n 0,0	Fст^з^n^(х-в) 0,0	F^n ок –
5. Наружный диаметр труб	d	м	Чертёж	0.083	0.083	0.083	0.083	0.083	–
6. Число труб в экране	Z	шт	Чертёж	40	40	30	40	40	–
7. Шаг экранных труб	S	м	Чертёж	0,11	0,11	0,15	0,11	0,11	–
8. Относит. шаг труб	S/d	-	Чертёж	1.325	1.325	1.807	1,325	1,325	–
9. Расстояние от оси трубы до обмуровки	е	м	Чертёж	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	–
10.Относительн. расстояние от оси трубы до обмуровки	e/d	–	Чертёж	1.204	1.204	1.204	1.204	1.204	–
11. Угловой коэффициент экрана	χ	–	Номограмма.1 Приложения	Χ^ф 0,83	Χ^Ф(х-в) 0,83	Χ^б 0,66	Χ^з 0,83	Χ^з(х-в) 0,83	Χ^ок 0,83
12.Коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия из-за загрязнений	ς	–	Чертёж	ς^ф 0,45	ς^Ф(х-в) 0,45	ς^б 0,45	ς^з 0,45	ς^з(х-в) 0,45	ς^ок 0,45
13. Коэффициент тепловой эффективности экранов при загрязнении	ψ	–	ς∙χ	ψ^ф 0,374	ψ^Ф(х-в) 0,374	ψ^б 0,297	ψ^з 0,374	ψ^з(х-в) 0,374	ψ^ок 0,374

5.1.2 В соответствии с данными таблицы 5.1

площадь стен топки F_cm^m= F_ст^ф + F_ст^ф(х-в)+2∙ F_ст^б+ F_ст^з+ F_ст^з(х-в)+ F_ок =52,38+15,7+2∙48,94+34,92+13,46+18,33=232,67 м²

5.1.3 В соответствии с данными таблицы 5.1 среднее значение коэффициента тепловой эффективности для топки в целом определяется :

ψ_ср={ ψ^ф(F_ст^ф– F_ст^фn)+ ψ^Ф(х-в)( F_ст^ф(х-в)– F_ст^фn(х-в))+2 ψ^б(F_ст^б– F_ст^бn)+ ψ^з(F_ст^з– F_ст^зn)+ ψ^з(х-в)( F_ст^з(х-в)– F_ст^зn(х-в))+ ψ^ок F_ок}/ F_cm^m={0.374(52,38-1,25)+0,374∙15,7+2∙0,297(48,94-2,72)+0,374∙34,92+0,374∙13,46+0,374∙18,33}/232,67=0,333

5.1.4 Активный объём топочной камеры:

V_T= F_ст^б∙b_T , где b_T= b_ст^ф= b_ст^з=4,28 м

V_T=48,94∙4,28=209,46 м³

5.1.5 Эффективная толщина излучающего слоя в топке:

S_cm=3,6∙( V_T/ F_cm^m); S_cm=3,6∙(209,46/232,67)=3,24 м

5.2 Расчёт теплообмена в топке

1. Расчёт основан на применении теории подобия к процессам, протекающим в топке. Расчётная формула для определения температуры газов на выходе из топки (°С):

где φ– коэффициент сохранения тепла

Т_а– абсолютная температура газов на выходе из топки (К)

F_cm– расчётная площадь стен топки (м²)

В_р– расчётный расход топлива (кг/с)

Ψ_ср– средний коэффициент тепловой эффективности экранов

5,67∙10^-11–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела (кВт/(м²∙К⁴))

(V∙c)_ср– средняя суммарная теплоёмкость продуктов горения (1 кг) топлива при температуре газов от θ"_а до θ"_т (кДж/ (кг∙К))

Таблица 5.2 Расчёт теплообмена в топке котла. Топливо– каменный уголь.

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Суммарная площадь поверхности топки	Fcm^m	п 5.1.2	232,67	м^2
Эффективная толщина излучающего слоя	S	Scm=3,6∙( VT/ Fcm^m); п 5.1.5	3,24	м
Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности	Ψср	П 5.1.3	0,333

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения

Активный объём топочной камеры	VT	VT= Fст^б∙bT П 5.1.4	209,46	м^3
Высота топки (до середины выходного окна)	НТ	Чертёж	11,8	М
Высота расположения горелок (средняя линия)	hГ	чертёж	3,75	м
Относительный уровень расположения горелок	ХГ	hГ/ HГ	0.32	-
Поправка на отклонение максимума температур от уровня горелок	ΔХ	[1] ,стр 25	0,1	-
Относительное положение максимума температур факела	ХТ	ХГ+ ΔХ	0,42	-
Параметр, характеризующий температурное поле по высоте	М	0,59–0,5∙ ХТ	0,38	-
Коэффициент избытка воздуха в топке (конечный)	α"m	Стр 4	1,3	-
Присос воздуха в топке	Δαm	Стр 4	0,1	-
Температура холодного воздуха, поступающего в котёл	tХ.В	Задание	30	°С
Температура горячего воздуха после воздухоподогревателя	tГ.В	Задание	340	°С
Энтальпия холодного воздуха	I^0Х.В	Стр 12	254,9	КДж/кг
Удельная энтальпия горячего воздуха для заданной температуры	(Сt)в	Интерполяцией по табл 2.3	458,6	КДж/м^3
Энтальпия горячего воздуха	I^0Г.В	(Сt)в∙V^O,где V^O=6,5349 м^3/кг (стр 5)	2996,905	КДж/кг
Количество теплоты, вносимое в топку с воздухом	QB	QГ. B+ QХ. B=(α"m-Δαm)∙ I^0Г.В+ Δαm∙ I^0Х.В	3621,776	КДж/кг

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Полезное тепловыделение в топке (исх. данные-стр 17)	Qm	Q^PP∙(100–q3–q4)/(100–q4)+QB-QB.BH	28221,776	КДж/кг
Адиабатическая температура горения	Θа	Табл 2.3, диаграмма 1 (при Qm=Iа)	1924,6	°С
Температура газов на выходе из топки	Θ''m	Предварительный выбор по [1] табл 12	1000	°С
Энтальпия газов на выходе из топки	I''m	Диаграмма 1	19636,5	КДж/кг
Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания	(V∙с)ср	(V∙с)ср=( Qm- I''m)/( Θа- Θ''m)	9,2854	КДж/кг∙К
Объёмная доля водяных паров	rН2О	Стр 6	0,1345	-
Объёмная доля трёхатомных газов	rRO2	Стр 6	0,0689	-
Суммарная объёмная доля водяных паров и трёхатомных газов	rn	Стр 6	0,2034	-
Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами	Кг	[2] , номограмма 5, рис 11	3,9	-
Коэффициент ослабления лучей частицами золы	Кзл	[2] , номограмма 4, рис 10	0,056	-
Коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами	Ккокс	[1] , стр 28	10	-
Коэффициенты, учитывающие концентрацию коксовых частиц в факеле	χ1 ; χ2	[1] , стр 28	χ1=0,5 ; χ2=0,1	-
Безразмерная концентрация золы	μзл	Стр 6	00145	-
Суммарный коэффициент ослабления лучей в топке	К	К= Кг∙ rn+ Кзл∙ μзл+ Ккокс∙ χ1 ∙ χ2	1,2941	1/м∙МПа
Давление в топке	Р	[1] стр27 (топка работает без наддува)	0,1	МПа

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Степень черноты факела	αф	αф=1–е^–К∙Р∙S	0,3425	-
Степень черноты топки	αт	αт= αф / αф+(1– αф)∙ψср	0,61	-
Температура газов на выходе из топки Max допуст. 1050 °С Min допуст. 800 °С	θ''m		1011,82	°С
Тепловая нагрузка стен топки	qF	qF=ВР∙Qm / Fcm^т	150,406	КВт/м^2
Удельное тепловое напряжение объёма топки(допустимая 180 КВт/м^2)	qV	qV= ВР∙Qр^р / Vт	145,632	КВт/м^3
Площадь сечения топки	ƒ	ƒ =bcm^ф∙ bcm^б	20,544	м^2
Удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок (допустимое 2100 КВт/м^2)	q ƒ	q ƒ= ВР∙Qр^р / ƒ	1484,813	КВт/м^2
Таблица 5.3 Расчёт теплообмена в топке котла. Топливо – бурый уголь.
Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Суммарная площадь поверхности топки	Fcm^m	п 5.1.2	232,67	м^2
Эффективная толщина излучающего слоя	S	Scm=3,6∙( VT/ Fcm^m); п 5.1.5	3,24	м
Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности	Ψср	П 5.1.3	0,333	-
Активный объём топочной камеры	VT	VT= Fст^б∙bT П 5.1.4	209,46	м^3
Высота топки (до середины выходного окна)	НТ	Чертёж	11,8	М
Высота расположения горелок (средняя линия)	hГ	чертёж	3,75	м

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Относительный уровень расположения горелок	ХГ	hГ/ HГ	0.32	-
Поправка на отклонение максимума температур от уровня горелок	ΔХ	[1] ,стр 25	0,1	-
Относительное положение максимума температур факела	ХТ	ХГ+ ΔХ	0,42	-
Параметр, характеризующий температурное поле по высоте	М	0,59–0,5∙ ХТ	0,38	-
Коэффициент избытка воздуха в топке (конечный)	α"m	Стр 4	1,3	-
Присос воздуха в топке	Δαm	Стр 4	0,1	-
Температура холодного воздуха, поступающего в котёл	tХ.В	Задание	50	°С
Температура горячего воздуха после воздухоподогревателя	tГ.В	Задание	340	°С
Энтальпия холодного воздуха	I^0Х.В	Стр 12	235,4	КДж/кг
Удельная энтальпия горячего воздуха для заданной температуры	(Сt)в	Интерполяцией по табл 2.3	458,6	КДж/м^3
Энтальпия горячего воздуха	I^0Г.В	(Сt)в∙V^O,где V^O=3,5886 м^3/кг (стр 5)	1645,732	КДж/кг
Количество теплоты, вносимое в топку с воздухом	QB	QГ. B+ QХ. B=(α"m-Δαm)∙ I^0Г.В+ Δαm∙ I^0Х.В	1998,418	КДж/кг
Полезное тепловыделение в топке (исх. данные-стр 17)	Qm	Q^PP∙(100–q3–q4)/(100–q4)+QB-QB.BH	15249,198	КДж/кг
Адиабатическая температура горения	Θа	Табл 2.3, диаграмма 1 (при Qm=Iа)	1707,816	°С

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Температура газов на выходе из топки	Θ''m	Предварительный выбор по [1] табл 12	970	°С
Энтальпия газов на выходе из топки	I''m	Диаграмма 1	8095,1	КДж/кг
Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания	(V∙с)ср	(V∙с)ср=( Qm- I''m)/( Θа- Θ''m)	9,6963	КДж/кг∙К
Объёмная доля водяных паров	rН2О	Стр 6	0,1320	-
Объёмная доля трёхатомных газов	rRO2	Стр 6	0,1270	-
Суммарная объёмная доля водяных паров и трёхатомных газов	rn	Стр 6	0,2589	-
Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами	Кг	[2] , номограмма 5, рис 11	3,8	-
Коэффициент ослабления лучей частицами золы	Кзл	[2] , номограмма 4, рис 10	0,059	-
Коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами	Ккокс	[1] , стр 28	10	-
Коэффициенты, учитывающие концентрацию коксовых частиц в факеле	χ1 ; χ2	[1] , стр 28	χ1=0,5 ; χ2=0,1	-
Безразмерная концентрация золы	μзл	Стр 6	0,0337	-
Суммарный коэффициент ослабления лучей в топке	К	К= Кг∙ rn+ Кзл∙ μзл+ Ккокс∙ χ1 ∙ χ2	1,4858	1/м∙МПа
Давление в топке	Р	[1] стр27 (топка работает без наддува)	0,1	МПа
Степень черноты факела	αф	αф=1–е^–К∙Р∙S	0,3821	-
Степень черноты топки	αт	αт= αф / αф+(1– αф)∙ψср	0,65	-
Температура газов на выходе из топки Max допуст. 1000 °С Min допуст. 800 °С	θ''m		1050,29	°С

Величина			Рез.т расчёта	Ед. изм.
Наименование	Обозначение	Формула или способ определения
Тепловая нагрузка стен топки	qF	qF=ВР∙Qm / Fcm^т	152,053	КВт/м^2
Удельное тепловое напряжение объёма топки(допустимая 190 КВт/м^2)	qV	qV= ВР∙Qр^р / Vт	148,717	КВт/м^3
Площадь сечения топки	ƒ	ƒ =bcm^ф∙ bcm^б	20,544	м^2
Удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок (допустимое 1250 КВт/м^2)	q ƒ	q ƒ= ВР∙Qр^р / ƒ	1516,487	КВт/м^2

Вывод к разделу: Поверочный тепловой расчёт топки показал, что значения удельных тепловых напряжений в топке и температура газов на выходе из топки при переводе котла на новый вид топлива находятся выше допустимых пределов, поэтому возможно шлакование поверхностей нагрева (экран, фестон) из-за термической деформации зоны.

Удельный расход каменного и бурого углей в пересчёте на условное топливо практически одинаков для одной и той же производительности. Исходя из этого перевод котла на новый вид топлива при данной производительности невозможен.