CC BY
12
4. Annaratone D. Steam Generators. Description and design. Heidelberg: Springer Berlin, 2008. 427 p.
5. Bisetto A., Del Col D., Schievano M. Fire Tube Heat Generators: Experimental Analysis And Modeling // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 78. Р. 236-247.
6. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб. 1998. 256 с.
УДК 621. 181. 123
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УГЛЯ
FURNACE CHAMBER HEAT EXCHANGE PECULIARITIES IN USING DIFFERENT TYPES OF COAL
Е. Н. Слободина1, И. А. Степашкин1, А. Г. Михайлов1, Б. А. Семенов2, В. А. Кихтенко1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов, Россия
E. N. Slobodina1, I. A. Stepashkin1, A. G. Mikhailov1, B. A. Semenov2, V. A. Kikhtenko1
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Yu. A. Gagarin Saratov State Technical University, Saratov, Russia
Аннотация. В статье рассмотрены виды теплопереноса в топочной камере и влияние значений зо-лового остатка на тепло, выделившееся и воспринятое в топке. Проведен анализ влияния различных марок углей (Камышанского, Талдинского и Экибастузского месторождений) со значением золового остатка от 16,4 до 43% на теплоту сгорания в топке. Рассмотрено влияние величины золового остатка на значение тепла, воспринятого в топочной камере, которая является определяющей характеристикой эффективности работы котла. Приведена графическая зависимость количества тепла, воспринятого в топочной камере, от золового остатка для различных видов твердого топлива.
Ключевые слова: твердое топливо, котел, золовый остаток, теплота сгорания.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-37-40
I. ВВЕДЕНИЕ
В паровых котлах большой мощности широкое применение нашел факельный метод сжигания топлива, т. е. сжигание топлива, поступающего из горелочных устройств в свободном объеме топочной камеры, ограниченной экранированными теплоизолирующими стенами, в виде факела внутри топочного объема [1].
Выбор углей для сжигания на омских ТЭЦ должен рассматриваться с учетом возможности сжигания других марок топлива; надежности работы котельного агрегата на новом топливе; безопасности обслуживания существующего тракта топливоподачи при использовании данного топлива; эффективности очистки дымовых газов существующей системой газоочистных сооружений. В настоящей работе определяющим фактором для выбора угля является эффективность работы топочной камеры.
При решении данного вопроса рассматриваются ближайшие регионы по обеспечению углем теплоисточников омской энергосистемы - Кузнецкий, Экибастузский угольные бассейны.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В зависимости от вида сжигаемого топлива топочные экраны воспринимают 40-50% полного количества теплоты, отдаваемой рабочей среде в котле в целом и в остальных поверхностях нагрева. Эффективность сжигания твердого топлива в камерных топках определяется теплотой, воспринятой в топочной камере, которая зависит от низшей теплоты сгорания топлива QE и количества теплоты, воспринятого в топочной камере QЛ. Задача - определить теплоту сгорания топлива, количество теплоты, воспринятого в топочной камере и объем продуктов сгорания с учетом специфики сжигания углей Кузнецкого, Экибастузского месторождений, различных по химическому составу [2].
III. ТЕОРИЯ
Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т. е. количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Эта теплота определяется химическим составом топлива. В топочной камере одновременно происходят процессы горения топлива, радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей средой и поверхностями нагрева.
Источник излучения в топочных камерах во время сжигания - поверхность, раскаленного слоя топлива, пламя горения летучих веществ, трехатомные продукты сгорания топлива СО2, 802 и Н20 [3].
При сжигании пыли твердого топлива факельным методом источниками излучения центры пламени, которые образуются вблизи поверхностей частиц топлива от горения летучих веществ, находящихся в факеле, раскаленных частиц кокса и золы, также источником излучения являются трехатомные продукты сгорания топлива.
Значения концентрации и толщины объема излучения определяют излучения трехатомных газов, которые заполняют объем топочной камеры. Излучение трехатомных газов составляет 20-30% от суммарного излучения в топочной среде.
Тепловая эффективность экранов и интенсивность топочной среды определяют тепловосприятие экранов топочной камеры. С увеличением интенсивности излучения среды топочной камеры повышается величина теплового потока, падающего на экраны. Снижение тепловосприятия экранов достигается за счет уменьшения тепловой эффективности экранов.
Тепловосприятие лучевоспринимающей поверхности определяется по формуле:
(1)
где ТИ - температура излучающей поверхности, ТП - температура тепловоспринимающей поверхности. Количество тепла, воспринятого в топочной камере, определяется по формуле:
(2)
где <?т
- - полезное тепловыделение в топке;
иаа-44
г г, «
.'г - энтальпия газов на выходе из топочной камеры;
- тепловые потери;
Ср - располагаемая теплота сгорания;
- тепло, вносимое воздухом в топочную камеру.
Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.
Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб путем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутренней теплота передается через стенку теплопроводностью, а от внутренней поверхности к воде и пару - конвекцией. Таким образом, передача теплоты от продуктов сгорания к воде и пару представляет собой сложный процесс, называемый теплопередачей
При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого твердого топлива и жидкого топлива или 1 м3 газа при нормальных условиях.
Уравнение теплопередачи:
(3)
(} = К-Н
м V
Уравнение теплового баланса:
В этих уравнениях К - коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева; -температурный напор; Вр - расчетный расход топлива; Н - расчетная поверхность нагрева; <р - коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения; Ь.' и Л" - энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее; /^рс - количество теплоты, вносимое присасываемым воздухом в газоход.
В уравнении (3) коэффициент теплопередачи - расчетная характеристика процесса и определяется явлениями конвекции, теплопроводности и излучения. Количество теплоты, переданное через стенку, имеет прямую зависимость от коэффициента теплопередачи и разности температур между продуктов сгорания и нагреваемой жидкостью. Поверхности нагрева, расположенные в близости от топочной камеры, работают при большей разности температур температуры продуктов сгорания и температуры, воспринимающей теплоту среды. По
мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается, и хвостовые поверхности нагрева работают при меньшем перепаде температур. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топки, тем большие размеры должна она иметь.
Уравнение (4) показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверхность нагрева.
Уравнение суммарного объема продуктов полного сгорания (5):
Рг = V + +Унг0 + Ю161 («ер - 1)г
(5)
В этих уравнениях УЯОщ - объем трехатомных газов; - объем азота; 0 - объем водяных паров; сг-р - коэффициент избытка воздуха Vе - теоретический объем воздуха.
Целью расчета теплообмена в топочной камере является определение значений температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры при заданных конструкторских параметрах и условиях работы. Также целью расчета теплообмена может являться определение площадей тепловоспринимающих поверхностей нагрева, при которых обеспечивается заданная температура в конце топочной камеры [2-5].
КПД брутто котельного агрегата (%) можно определить по уравнению прямого баланса: для парового котла:
(6)
где @пг - полезная мощность парового котла: ищ- - расход топлива парового котла; (?р - располагаемая теплота. КПД парового и водогрейного котла по уравнению обратного баланса:
%р= 100
(7)
где г сумма тепловых потерь.
При тепловом расчете парового или водогрейного котла тепловой баланс составляют для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива.
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В результате теплового расчета топочной камеры котла БКЗ-420 для разных марок углей получены зависимости: низшей теплоты сгорания от золового остатка (рис. 1); количества тепла, воспринятого в топке, от золового остатка (рис. 2.); объемов продуктов сгорания от золового остатка (рис. 3.) для различных типов углей (Камышанский, Талдинский, Экибастузский).
Рис. 1. Зависимость низшей теплоты сгорания от золового остатка
Рис. 2. Зависимость количества тепла, воспринятого в топке, от золового остатка
10,0000 8,0000 6,0000 4,0000 2,0000
12,80% 22% 40,90%
Камышанский Талдинский Экибастузский
Рис. 3. Зависимость объемов продуктов сгорания от золового остатка
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис. 1 наблюдаем, что с ростом золового остатка уменьшается значение низшей теплоты сгорания QH, так как уменьшается выход летучих, значение которых зависит от марки углей (Экибастузский, Камышанский, Талдинский). На рисунке 2 отражено, что с ростом золового остатка уменьшается значение количества тепла, воспринятого в топке QЛ. Это происходит из-за уменьшения температуры горения. На рис. 3 показана зависимость объемов продуктов сгорания от золового остатка. Наблюдается, что с ростом золового остатка значение объема продуктов сгорания уменьшается, так как уменьшается доля летучих веществ.
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате расчетных исследований определено:
1) переход от Экибастузкого к Талдинскому или Камышанскому углям приводит к увеличению низшей теплоты сгорания от 15857кДж/кг до 19665 и 21589кДж/кг соответственно.
2) переход от Экибастузкого к Талдинскому или Камышанскому углям приводит к увеличению значения лучистой составляющей на 7% и 15% соответственно.
3) переход от Экибастузкого к Талдинскому или Камышанскому углям приводит к увеличению объемов продуктов сгорания на 25% и 30% соответственно.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена в рамках НИР № 19075В «Молодой ученый ОмГТУ».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Annaratone D. Steam Generators. Description and design. Heidelberg: Springer Berlin, 2008. 427 p
2. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб : Машиностроение, 1998. 256 с.
3. Slobodina E. N. Mikhailov A. G. Heat exchange units boiling process numerical modeling at subatmospheric pressure // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876, is. 1. Р. 020050-1-020050-6. , DOI : 10.1063/1.4998870
4. Kofingera M., Basciottia D., Schmidt R. Reduction of return temperatures in urban district heating systems by the implementation of energy-cascades // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. Р. 438-451.
5. Bisetto A., Del Col D., Schievano M. Fire Tube Heat Generators: Experimental Analysis And Modeling // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 78. P. 236-247.
