Полл. Курс лекций. Общие сведения из теплотехники
 Скачать 4.53 Mb.
|
|
природное и искусственное. Природным называют топливо в том виде, в котором топливо было получено при добыче каменный уголь, древесина, торф, сырая нефть, природный газ и др. Искусственное топливо – продукт, полученный при технологической переработке природного топлива. Например кокс, брикеты, дизельное топливо, мазут, генераторный газ и др. Топливо, которое по техническими экономическим соображениям невыгодно перевозить на большие расстояния из-за его низкого качества и, как правило, используется вблизи места его добычи или получения, называется местным. К высококачественному топливу относятся каменный уголь, ан- трациты, жидкое топливо и природный газ. Все виды топлива состоят из горючей и негорючей частей. К горючей части твердого и жидкого топлива относятся углерод С, водород H 2 , сера S. К негорючей части относятся кислород O 2 , азот N 2 , влага W и зола А. Влага W и зола A составляют внешний балласт топлива, а кислород и азот – внутренний. Топливо характеризуется рабочей, сухой и горючей массами. Условия сжигания твердого топлива зависят от количества и свойств имеющихся в нем золы, влаги, количества летучих горючих веществ. При сжигании жидкого топлива (мазута, имеющего высокую вязкость, одна из основных задач – распыление его на мелкие капли. Газовое топливо наиболее удобно для смешивания его с воздухом, который необходим для горения, поскольку топливо и воздух находятся водном агрегатном состоянии. Физико-химические свойства природных газов Природные газы не имеют цвета, запаха и вкуса. Основные показатели горючих газов, которые используются в котельных состав, теплота сгорания, плотность, температура горения и воспламенения, границы взрываемости и скорость распространения пламени. Природные газы чисто газовых месторождений состоят в основном из метана (82–98 %) и других более тяжелых углеводородов. В состав любого газообразного топлива входят горючие и негорючие вещества. К горючим относятся водород (Н, углеводороды (С m Н n ), сероводород (Н, оксид углерода (СО к негорючим – углекислый газ (СО, кислород (О, азот (N 2 ) и водяной пар (Теплота сгорания – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м газа, измеряется в ккал/м 3 или кДж/м 3 . Различают высшую теплоту сгорания в с, когда учитывается тепло, выделяемое при конденсации водяных паров, которые находятся в дымовых газах, и низшую нс когда это тепло не учитывается. При выполнении расчетов обычно используется в с, так как температура уходящих газов такова, что конденсация водяных паров продуктов сгорания не происходит. На практике используются газы с различной теплотой сгорания. Для сравнения различных видов топлива, установления норм расхода и т. д. используется так называемое условное топливо за единицу которого принимают 1 кг топлива, имеющего теплоту сгорания Q н н = 7 000 ккал/кг (29 300 кДж/кг). Плотность газообразного вещества r г определяется отношением массы вещества к его объему. Единица измерения плотности кг/м 3 Отношение плотности газообразного вещества к плотности воздуха при одинаковых условиях (давление и температура) называется относительной плотностью газа r о Плотность газа r г = 0,73–0,85 кг/м 3 (r о = Температурой горения называется максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения, а начальная температура газа и воздуха равна 0 Си такая температура называется жаропроизводительностью топлива. Температура горения отдельных газов составляет 2 000–2 100 °С. Действительная температура горения в топках котлов значительно ниже, составляет 1 100–1 600 Си зависит от условий сжигания. Температура воспламенения – это такая температура, при которой начинается горение топлива без влияния источника воспламенения, для природного газа она составляет 645–700 °С. Границы взрываемости. Газовоздушная смесь, в которой газа находится доне горит от 5 до 15 % – взрывается больше 15 % горит при подаче воздуха. Скорость распространения пламени для природного газа – 0,67 мс (метан СН 4 ). Горючие газы не имеют запаха. Для своевременного определения наличия их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки газ одоризируют (придают запах. Для одоризации используется этилмеркаптан (С 2 Н 5 SН). Норма одоризации 16 г С 2 Н 5 SH нам газа. Одоризация проводится на газораспределительных станциях (ГРС). При наличии в воздухе 1 % природного газа должен ощущаться его запах. Использование природного газа имеет ряд преимуществ по сравнению с твердыми жидким топливом: отсутствие золы, шлака и выноса твердых частиц в атмосферу; меньше токсичных выбросов (CO, высокая теплота сгорания; удобство транспортировки и сжигания; облегчение труда обслуживающего персонала; улучшение санитарно-гигиенических условий в котельной ив прилегающих районах; достижение максимального КПД и т. д. Однако использование природного газа требует особых мер осторожности, так как возможна его утечка через неплотности в местах соединения газопровода с газовой арматурой. Наличие в помещении более 20 % газа вызывает удушье, скопление его в закрытом объеме от 5 до 15 % может привести к взрыву газовоздушной смеси, при неполном сгорании выделяется угарный газ СО, который даже при небольшой концентрации оказывает отравляющее воздействие на организм человека. Горение природного газа Горение – это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих компонентов топлива с окислителем, сопровождающееся выделением теплоты, света и продуктов горения. Горение полное и неполное. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода, хорошем перемешивании топлива с окислителем и достаточной температуре в топке. При неполном горении топлива выделяется меньшее количество тепла, образуется оксид углерода (СО) угарный газ, отравляюще воздействующий на обслуживающий персонал, и образуется сажа, оседающая на поверхности нагрева котла, ухудшающая теплообмен и увеличивающая потери тепла. Это приводит к перерасходу топлива и снижению КПД котла, загрязнению атмосферы. Реакция горения углеводородов в общем виде описывается уравнением) Ч O 2 = m СОЧ В соответствии с этим можно записать реакции горения других компонентов природного и сжиженного газов и определить необходимое количество кислорода и воздуха: метан: СН 4 + 2O 2 = СО + Н 2 О; этан: C 2 H 6 + 3,5O 2 = 2CO 2 + пропан С 3 Н 8 + 5O 2 = ЗСО 2 + 4Н 2 О; бутан: С 4 Н 10 + О = СО + 5Н 2 О. Согласно формуле, для сгорания 1 м метана необходимо 2 м 3 кислорода, который содержится в 9,5 м воздуха. Для полного сжигания природного газа воздух подается в топку с небольшим избытком. Отношение действительно израсходованного количества воздуха в д к теоретически необходимому во называется коэффициентом избытка воздуха a = в д / во. Этот показатель зависит от конструкции газовой горелки и топки чем они совершеннее, тем меньше a. Необходимо следить, чтобы коэффициент избытка воздуха не был менее 1, так как это приводит к неполному сгоранию газа. Увеличение коэффициента избытка воздуха сверх необходимого снижает КПД котла. Полноту сгорания топлива можно определить с помощью газоанализатора и визуально – по цвету и характеру пламени Горение регулируется изменением подачи воздуха или газа в топку котла. В процессе сжигания топлива может использоваться так называемый первичный воздух (смешивается с газом в горелке до горения) и вторичный воздух (соединяется с газовоздушной смесью в топке котла в процессе горения). В котлах, оборудованных диффузионными горелками без принудительной подачи воздуха, воздух поступает в топку под действием разрежения в топке. В котлах, оборудованных инжекционными горелками низкого давления, первичный воздух поступает в горелку за счет инжекции газовой струей, а вторичный – за счет разрежения в топке. В котлах со смесительными горелками первичный и вторичный воздух подается в горелку вентилятором и регулируется воздушными задвижками. Подача газа регулируется рабочими кранами (задвижками), которые установлены непосредственно перед горелками. Нарушение соотношения между скоростью газовоздушной смеси на выходе из горелки и скоростью распространения пламени приводит к отрыву или проскакиванию пламени на горелках. Если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости распространения пламени, может произойти отрыва если меньше – проскок пламени в горелку. При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен аварийно погасить котел, провентилировать топку и газоходы в течение 10–15 мини снова разжечь котел. Процесс горения газообразного топлива можно разделить на четыре основные стадии: вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью (по сравнению со скоростью в газопроводе); образование смеси газа с воздухом; зажигание горючей смеси; горение горючей смеси. Жидкое топливо и его характеристики Основным видом жидкого топлива, которое используется в котельных, служит топливный мазут – конечный продукт переработки нефти. В стационарных котельных используются топливные мазуты М-40 и М, а в транспортных (передвижных) котельных – флотский мазут Фи Ф. Флотские мазуты относятся к категории легких, мазут М – к категории средних, мазут М – к категории тяжелых мазутов. По элементарному составу мазуты отличаются высоким содержанием углерода (С) – 85–87 %, водорода (Н) – 10,2–12,5 %, кислорода) и азота (N 2 ) – 0,6–1 %. Мазуты содержат серу (до 3,5 %), влагу (до 2 %), золу (дои имеют высокую теплоту сгорания (9 500–9 870 ккал/кг; 39 900– 41 450 кДж/кг). Основные характеристики мазутов: вязкость, температура застывания, температуры вспышки и воспламенения, а также содержание серы. По содержанию серы мазуты подразделяются натри класса ма- лосернистые (до 0,5 %), сернистые (0,51–2 %) и высокосернистые (2–3,5 Вязкость мазута определяет условия его транспортировки, слива, перекачки и сжигания. Вязкость измеряют вискозиметром в градусах условной вязкости (°ВУ). Условная вязкость показывает, во сколько раз мазут вытекает через калиброванное отверстие вискозиметра медленнее, чем вода. С повышением температуры вязкость мазута уменьшается. Температура застывания – это температура, при которой мазут теряет свою подвижность и застывает в виде недвижимой массы. +42 °С). Температура вспышки мазута – это температура, при которой его пары образуют с воздухом смесь, которая загорается при поднесении к ней огня. Эта температура для различных марок мазута находится в пределах 90–150 С. Температура самовозгорания мазута °С. Перед подачей на форсунки и сжиганием мазут необходимо подогреть до температуры 80–120 °С. Для уменьшения жирных отложений при сжигании мазута на поверхностях нагрева ив газоходах, а также на дне резервуаров в мазут добавляют специальные жидкие присадки (типа ВНИИНП-102). Мазутное хозяйство котельных. Основными элементами мазутного хозяйства (рис. 23) котельных являются: подъездные пути (железная дорога, шоссе) с приемочным устройством мазутные резервуары (баки); резервуар для присадок к мазуту; фильтры грубой и тонкой очистки; подогреватели мазута; охладители конденсата; насосы; система трубопроводов Доставленный в железнодорожных или автомобильных цистернах мазут подогревается до температуры 30–60 Св зависимости от марки. Для этого используется пар с давлением 5–6 кгс/см 2 , который подается непосредственно в цистерну. Мазут, который сливается из цистерны, должен пройти через специальный фильтр, предотвращающий попадание механических примесей в мазутные резервуары. Мазутные резервуары выполняются металлическими или железобетонными, наземными или подземными (рис. 24, Резервуары должны соединяться с атмосферой и иметь отстойники для сбора воды. Для того чтобы обеспечить подогрев мазута в резервуаре, используются стальные регистры на дне резервуара, в которые подается пар. Для перекачивания мазута используются специальные насосы (шестеренчатые, лопатообразные, винтообразные, плунжерные). Рис. 23. Схема мазутного хозяйства, 4 – фильтры тонкой очистки 2 – бадья 3 – теплообменник 5 – приямок, 7 – насосы 8 – спаренные фильтры 9 – патрубок 11 – термометр 10, 12 – указатели уровня 13 – подогреватель 14 – люк-лаз; 15 – мазутопровод; 16 – отводящий трубопровод 17 – цистерна 18–56 – задвижки и клапаны 43 44 51 47 48 49 55 56 54 52 53 7 8 50 41 40 42 33 32 4 3 28 25 24 3 2 Спуск Гибкий шланг К потребителю От потребителя 19 18 21 22 15 16 14 Резервуар № Резервуар Шибер Шибер Колодец переключения Соединительный колодец Сливн ая эстакада Сливной лоток эстакады Рис. 24. Горизонтальный металлический резервуар – конденсатопровод; 2 – всасывающий трубопровод перемешивания – подающий мазутопровод; 4 – рециркуляционний мазутопровод; 5 – паропровод напорный трубопровод перемешивания 7 – резервуар 8 – смотровой люк 9 – управление хлопушкой 10 – люк для замеров 11 – стойка крепления трубы 12 – вентиляционная труба 13 – хомут 14 – поплавок уров- немера; 15 – уровнемер; 16 – подогревательный элемент 17 – фланец – люк-лаз; 19 – оплот под секционный подогреватель 20 – сливной патрубок угольник 22 – сетка 23 – накидная гайка 24 – труба 25 – рычаг – крышка 27 – тяга Рис. 25. Наземный металлический бак для мазута – резервуар 2 – змеевидный подогреватель центральная труба В котельную Насосная станция 1 3 8 9 10 11 12 13 14 23 24 22 16 15 17 18 6 19 20 21 1 4 А–А 1 2 3 D 2 1 3 Б Б А А Б–Б 25 26 27 47 Мазутопровод к котельной и рециркуляционный мазутопровод к резервуарам прокладывают в траншеях или туннелях вместе с паропроводом и покрывают их общей тепловой изоляцией, чтобы не застывал мазут. На рис. 26 приведены мазутные фильтры грубой (рис. 26, аи тонкой (рис. 26, б) очистки. Сжигание жидкого топлива в топках котлов Процесс горения жидкого топлива может быть разделен на четыре основные фазы: распыление жидкого топлива на мельчайшие частицы; испарение топлива и образование смеси паров жидкого топлива с воздухом; зажигание образованной горючей смеси; горение этой смеси. Рис. 26. Мазутные фильтры: а – фильтр грубой очистки 1 – днище 2 – ограничитель 3 – патрубок подвода пара 4 – перфорированная труба 5 – корпус фильтра 6 – фильтрующий стакан – патрубок отвода мазута 8 – перемычка 9 – воздушный вентиль 10 – крышка – провод крепления сетки 12 – патрубок подвода мазута 13 – прокладка – патрубок отвода грязи б – фильтр тонкой очистки 1 – труба подвода пара – днище 3 – кольцо 4 – патрубок 5 – патрубок отвода мазута 6 – хомут крепления сетки 7 – фильтрующий стакан 8 – корпус фильтра 9 – крышка 10 – воздушный клапан 11 – заглушка крышка каркаса 13 – центрирующий упор – перфорированная трубка 15 – трубка отвода пара 16 – трубка отвода грязи – патрубок подвода мазута 18 – пробка 1 а б 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Подвод пара Выход грязи 15 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 17 18 Отвод грязи Отвод пара Воздух Подвод пара Подвод пара для очищения фильтров Подвод пара Мазут 2 Сгорание мазута происходит в парогазовом состоянии. При нагревании сначала испаряются легкие углеводороды, которые входят в состав мазута, а затем тяжелые. Чем меньше размер капель топлива, тем больше поверхность испарения и тем быстрее происходит процесс испарения и сгорания. Для распыления жидкого топлива используются различного типа форсунки механические (центробежные и ротационные, паровые, паромеханические, воздушные (высоко- и низконапорные). Механические форсунки используют в котлах средней и большой производительности, для которых мазут является основным топливом. В механических форсунках распыление происходит при подаче мазута под давлением через сопло небольшого диаметра или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании топлива или измельчении его при вращении элементов форсунки. Преимуществом механических форсунок является небольшая затрата электроэнергии на распыл топлива, а к недостаткам относятся: необходимость установки специальных насосов; небольшие границы регулирования (70–100 необходимость периодической очистки от нагара. Эти форсунки невозможно изготавливать небольшой единичной мощности, так как выходные отверстия для мазута должны были бы быть очень малыми, что приводило бык их частому забиванию. Паровые форсунки проще механических по конструкции и обслуживанию, меньше подвержены забиванию и имеют большие границы регулирования производительности. Недостаток этих форсунок большая затрата пара, которая составляет 2–3 % общего количества пара, вырабатываемого котлом. Работа форсунки сопровождается сильным шумом. При паровом распылении используется насыщенный пар с давлением до 20 кгс/см 2 (при номинальном режиме. Затраты пара составляют 0,3–0,5 кг на 1 кг мазута. |