Температура газов на выходе из топки и степень черноты топки

В топке котельного агрегата происходит процесс сжигания топлива, при котором химическая энергия его превращается в тепловую энергию. Размеры топочной камеры, и главным образом высота ее, должны быть такими, чтобы процесс сгорания топлива был по возможности полностью завершен до входа продуктов сгорания в конвективные газоходы котла.

Передача тепла от продуктов сгорания топлива поверхностям нагрева происходит путем излучения и конвективного теплообмена. В области высоких температур газов, порядка 1200° С и выше, теплоотдача излучением более эффективна, чем конвективный теплообмен. Это объясняется тем, что тепловой поток за счет излучения пропорционален разности четвертых степеней температуры газов и наружной стенки тепловоспринимающей поверхности, а в случае конвективного теплообмена он зависит от разности первых степеней этих температур и коэффициента теплоотдачи, который лишь слабо увеличивается с ростом температуры газов.

Однако настенная радиационная поверхность нагрева значительно дороже конвективной. Наибольшая радиационная поверхность экрана, получающаяся при расположении труб вплотную друг к другу и равная площади стены, покрытой трубами, составляет примерно лишь 1/3 от общей поверхности труб. В конвективном же теплообмене участвует полная поверхность труб. Кроме того, увеличение радиационной поверхности требует повышения размеров топки, т. е. приводит к соответствующему возрастанию затрат на каркас и обмуровку котла.

Поэтому по технико-экономическим соображёниям оптимальные значения температуры продуктов сгорания на выходе из топки больше чем 1200° С.

Тем не менее, температуру газов, покидающих топку, приходится ограничивать, чтобы предотвратить шлакование конвективных поверхностей нагрева.

Для нормальной работы котельного агрегата величина температуры газов перед конвективными поверхностями нагрева, расположенными сразу после топки, имеет важное значение. Если дымовые газы имеют температуру, равную или большую, чем температура начала размягчения золы t₂, то размягченные; частицы золы, при соприкосновении с поверхностями нагрева, имеющими в несколько раз более низкую температуру, прилипают к трубам, охлаждаются и образуют наросты шлака. Это приводит к ухудшению теплообмена в зашлакованной поверхности и повышению температуры газов за ней, а также к возрастанию сопротивления потоку газов.

Шлакование конвективных поверхностей нагрева отсутствует, если летучая зола при входе в эти поверхности находится в виде твердых частиц.

Температура затвердевания золы обычно несколько ниже температуры начала размягче­ния ее t₂. Поэтому температура газов на входе в конвективные поверхности нагрева должна быть примерно на 50—100° С меньше, чем t₂.

При проектировании котельных агрегатов выбор пониженной температуры на выходе из топки приводит к необходимости делать боль­шую радиационную поверхность топки и тем самым увеличивать объем топки. Снижение температуры в конце топки приводит также к падению температурных напоров и соответ­ствующему росту величины конвективных поверхностей нагрева. Все это влечет за собой увеличение каркаса и обмуровки котла. В конечном счете капитальные затраты на котельный агрегат возрастают, стоимость его повышается.

Для каждого топлива в зависимости от свойств его золы существует некоторое опти­мальное значение температуры газов на выходе из топки.

Передача тепла в топке происходит в основном излучением. Скорость газов в топочной камере невелика, поэтому конвективным теплообменом можнопренебречь по сравнению с весьма интенсивным радиационным теплообменом

В конвективных газоходах теплообмен от продуктов сгорания к поверхностям нагрева происходит как конвекцией, так и лучеиспусканием.

В продуктах сгорания топлива содержатся газы, излучающая способность которых различна. Двухатомные газы — азот N₂ кислород О₂, водород. Н₂, окись углерода СО — обладают очень слабым излучением. Интенсивное излучение имеют трехатомные газы (углекислый газ СО₂ и сернистый ангидрид SO₂), многоатомные газы (метан СН₄, тяжелые углеводороды) и. водяной пар. Практически имеет значение излучение лишь трехатомных газов — СО₂, SO₂ и водяного пара, так как метана и тяжелых углеводородов в топочных газах со­держится обычно ничтожное количество.

В отличие от излучения твердых тел, имеющих сплошной спектр, газы излучают энергию лишь, в некоторой части спектра (преимуще­ственно в пределах инфракрасной части).

Интенсивность излучения отдельных полос спектра различна, но она никогда не превышает: интенсивности излучения абсолютно чер­ного, тела, при данных длинах волн и температуре. Поэтому степень черноты газ а а_г, т. е. отношение полной энергии излучения газа q_г. к полной энергии излучения
абсолютно черного тела q₀, всегда меньше единицы:

Энергия излучения газа, так же как и абсолютно черного тела, с ростом температуры увеличивается. Однако степень черноты газа в ряде случаев снижается с повышением температуры. Это объясняется тем; что максимум кривой интенсивности излучения абсолютно черного тела с ростом температуры сдвигается в область малых длин волн, где полос излучения газа почти нет. В отличие от излучения твердого тела, которое происходит с его поверхностного слоя, газы излучают всем объемом. Поэтому интенсивность излучения газа зависит от толщины излучающего объема s и растет с увеличением последней.

Энергия излучения газа возрастает также с увеличением его парциального давления в смеси. Энергия излучения газа, а следовательно, и степень черноты газа а_г, таким образом зависят от произведения парциального давления газа на эффективную толщину излучающего слоя ps и температуры, т. е. , где р — парциальное давление газа, МПа;s — эффективная толщина излучающего слоя газа, м; t — температура газа, ° С.

При одинаковых парциальных давлениях углекислого газа и водяного параи небольшой толщине излучающего слоя пла­мени степень черноты водяного пара несколько меньше. В больших объемах газа излучение водяного пара более интенсивное, чем углекислого газа. В топочных камерах, где толщина излучающего слоя s велика, излучение водяного пара обычно больше, чем у углекислого газа.

Эффективная толщина излучающего слоя газового объема в топке может быть приблизительно подсчитана по формуле

, (6.1)

где V — газовый объем, м³; F _ст - площадь ограждающих поверх­ностей, м².

В зависимости от элементарного состава топлива и его влажности объемные доли трех­атомных газов и водяных паров, а, следовательно, и парциальные давления их, имеют различ­ные значения.

При завершении сгорания топлива в топоч­ной камере объем трехатомных газов по всему тракту котла остается неизменным, но процент­ное содержание RO₂ и парциальное давление их уменьшаются в связи с возрастанием объема дымовых газов за счет присосов холод­ного воздуха в топку и конвективные газоходы. Процентное содержание и парциальное давле­ние водяных паров по тракту дымовых газов также снижаются.

Энергия излучения смеси различных газов не равна сумме энергий излучений каждого из газов. Это объясняется тем, что при наличии в спектрах газов, полос с одинаковыми длинами волн часть энергии, излучаемая одним газом, поглощается другим газом.

При прохождении, лучей в газовой среде интенсивность излучения их может ослабляться за счет поглощения части лучистой энергии не только молекулами газа, но и взвешенными в газе твердыми частицами. В продуктах сго­рания топлива могут быть сравнительно круп­ные кусочки (размером 200—300 мкм, а иногда и больше) недогоревшего топлива и золы и мельчайшие (размером до 0,2—0,5 мкм) сажистые частицы.

Поглощенная молекулами газа и твердыми частицами лучистая энергия переходит в тепловую энергию и снова излучается. Поэтому суммарная энергия излучения, газовой, среды повышается при увеличении толщины слоя и плотности тазовой среды, а также содержания в газовой среде взвешенных твердых частиц.

Интенсивность теплообмена в топке определяет коэффициент излучения топочной среды ξ_т. Он определяется коэффициентом излучения факела ξ_ф, заполняющего топочный объем, тепловой эффективностью экранных поверхностей ψ_т и находится по формуле:

. (6.2)

Коэффициент излучения факела при сжигании твердых топлив или газовой среды при сжигании других видов топлив определяется по закону Бугера:

, (6.3)

где k коэффициент ослабления лучей топочной средой, 1/(м-МПа); р — давление газов в топочной камере, МПа; для топок, работающих под разрежеиием и наддувом не более 5000 Па (500 мм. вод. ст.).принимают р = 0,1 МПа; s— эффективная толщина излучающего слоя в топочной камере, м.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лу­чей топочной средой, определяется коэффициентом ослабления лучей трехатомными газами (k_гr_п), золовыми частицами (k_злμ_зл) и горящими коксовыми частицами k_к:

. (6.4)

Коэффициент ослабления лучей газовой средой определяется по состоянию газов на выходе из топки по формуле

, (6.5) (101)

где - суммарная доля трехатомных газов, определяемая по объёмам продуктов сгорания.

Снижение интенсивности лучей золовыми частицами зависит только их размеров, увеличиваясь с уменьшением последних.

, (6.6)

где d_зл – средний (по удельной поверхности) диаметр золовых частиц, мкм, определяется по табл. 6.1. Концентрация золовых частиц определяется по выражению

(6.7)

где G – массовое количество продуктов сгорания образующееся при сжигании 1кг твердого топлива .

Таблица 6.1.

Коэффициент ослабления лучей горящими частицами кокса принимают в зависимости от вида сжигаемого топлива. Для топлив с малым выходом летучих (антрациты, тощие угли) k_к=1; для каменных, бурых углей, торфа, сланцев k_к=0,5.

При сжигании газового и жидкого топлива коэффициент теплового излучения продуктов сгорания по высоте топки заметно изменяется, поэтому его усредняют по формуле:

, (6.8)

где ξ_св, ξ_г— коэффициенты теплового излучения светящегося факе­ла и несветящихся газов в верхней части топки; m — доля топочного объема, заполненная светящимся факелом. Значение т для теплонапряжений q_v£ 390×10³ кВт/м³ независимо от нагрузки котла принимается: мазуты m = 0,55; природный и др. газы m = 0,1.

Коэффициент ξ_г находится по (6.3), если принять ξ_г= k_гr_п. Коэффициент ξ_св также находится по (6.3), если принять k=k_гr_п+k_с ,

где k_с - эффективный коэффициент ослабления сажистыми частицами, образующимися в ядре факела при сжигании газа и мазута

. (6.9)

Здесь С^р/Н^р – соотношение содержаний углерода и водорода в рабочей массе жидкого топлива. Для газового топлива

, (6.10)

где m и n – количество атомов углерода и водорода в соединении, а содержание углеводородных соединений С_mH_n выражено в %.

Определение геометрических характеристик

Для расчета топки необходимо знать объем топки V_т, поверхность стен топки F_ст, лучевоспринимающую поверхность экранов Н_лэ, шаг и диаметр труб экранов.

Объем топочной камеры ограничивается осевой плоскостью экранных труб стен и потолка, поверхностью, проходящей через первый ряд труб фестона, горизонтальной плоскостью, отделяющей половину высоты холодной воронки, или плоскостью пода топки.

Объем топки можно взять из справочной литературы либо рассчитать по чертежам котла:

, (6.11)

где: b– ширина топки в свету, F_ст.б – поверхность боковой стены топки.

Полная поверхность стен топки

, (6.12)

где F_ст.фр, F_ст.з, F_ф – поверхности стен фронтовой, задней и фестона (по первому ряду труб).

Поверхность стен топки, занятая экранами,

, (6.13)

где F_гор – неэкранированная поверхность стен, занятая горелками.

Лучевоспринимающая поверхность нагрева экранов топки определяется по справочной литературе или рассчитывается

, (6.14)

где F_i – поверхность соответствующей стены топки, занятой экраном, определяется как произведение расстояния между осями крайних труб данного экрана на освещенную длину экранных труб; x_i – угловой коэффициент экрана, определяемый по рис. 6.1.

Рис. 6.1. Угловой коэффициент однорядного гладкотрубного экрана

1. с учетом излучения обмуровки при ;

2. с учетом излучения обмуровки при ;

3. с учетом излучения обмуровки при ;

4. с учетом излучения обмуровки при (ДЕ, КЕ);

5. без учета излучения обмуровки при (ДКВР).

Угловой коэффициент х поверхности, проходящей через первый ряд труб котельного пучка или фестона, расположенных в выходном окне топки, равен 1.

При расчете последующих поверхностей нагрева следует учитывать, что угловой коэффициент самого пучка или фестона может быть меньше единицы и часть падающего на него лучистого тепла проходит сквозь пучок на расположенные за ним поверхности нагрева (например, на пароперегреватель, расположенный за фестоном).

Коэффициент тепловой эффективности экранов равен произведению углового коэффициента экрана на коэффициент, учитывающий загрязнение,

y=х×x .(6.15)

Если стены топки закрыты экранами с разными угловыми коэффициентами х или экраны покрывают часть поверхности стен, среднее значение коэффициента эффективности составит

. (6.16)

Для неэкранированных участков топочных стен y=0.

Таблица 6.2

Коэффициент загрязнения экранов [2]