Газогенераторы МСД

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

§ 4. ЗОЛА И ШЛАКИ

Как уже указывалось, минеральные примеси, находящиеся в
топливе, при сжигании последнего образуют золу, которая
аналогично с коксом может получаться в виде сыпучей массы или
сплавленных пластин и кусков, называемых шлаком.
Зольность топлива определяется в лабораториях путем
прокаливания навески мелко раздробленного топлива весом 1—2 г в
фарфоровых тиглях, причем в отличие от определения выхода
летучих в данном случае надо обеспечить присутствие кислорода в
процессе прокаливания, чтобы избежать частичного коксования
навески. По разности веса до и после прокаливания судят о
зольности топлива. Необходимо отметить некоторую условность
подобной характеристики зольности, так как в процессе озоления
происходят химические реакции между отдельными минеральными
примесями, входящими в состав золы, причем при этих реакциях
может, например, произойти утяжеление золы, так как во вновь
образующиеся соединения войдет кислород окружающего
воздуха или часть элементов улетучится и т. п. Поэтому, чтобы
получить сравнимые характеристики по зольности, необходимо процесс
получения золы вести в строго стандартных условиях. Открытую
фарфоровую чашечку помещают в электрический муфель, где
минеральное топливо прокаливают при температуре 800°, а
мазут, дрова и растительные отходы — при 500°. Озоление
навески ведется медленно, в течение 2 час, и без появления
пламени.

Большие расхождения между лабораторной и истинной
зольностью получаются при озолении навески сланцев. Карбонаты
кальция и магния (СаСОз, MgCCb) при нагревании разлагаются
с образованием СО2, вследствие чего вес лабораторной золы резко
уменьшается. Для этого топлива лаборатория дает поправку к
полученной зольности на разложение карбонатов.
При теплотехнических испытаниях часто составляют так
называемые золовые балансы. Определяя путем взвешивания
количество золы, остающейся на колосниковой решетке и в поддувале,
и зная из анализа топлива вес золы, приходящийся на 1 кг
сожженного топлива, выясняют количество золы, вынесенной в
газоходы котла и дымовую трубу. Тут возможны ошибки. В золе в
процессе прокаливания происходят химические реакции, и она
обладает способностью выделения летучих, причем выход летучих
увеличивается с повышением температуры. Так как температура
шлакообразования в топке превышает 1000°, а лабораторная зола
образуется при температуре 800°, то вес лабораторной золы
получается больше. В особенности эти расхождения могут достигать
больших значений при бурых углях и сланцах, зола которых
содержит значительное количество кальция и серы.

Зола топлива, сжигаемого на колосниковой решетке, в
большинстве случаев плавится, затем по мере стекания вниз и
удаления от зоны высоких температур остывает, затвердевает и
образует довольно пористые шлаки. Иногда зола бывает настолько
легкоплавка, что не затвердевает даже по выходе из зоны
высоких температур слоя топлива; тогда эта плотная тестообразная
масса, забивая отверстия в колосниковой решетке, служащие для
прохода воздуха, увеличивает газовое сопротивление топки,
обволакивает часть кусков топлива и затрудняет их сжигание. Кроме
того, легкоплавкий шлак трудно удалить из топки, не прихватив
заодно и горящий уголь. При сжигании пылевидного топлива в случаях, если конструкция котла и топки не учитывает легкоплав-
легкоплавкости шлаков, расплавленная масса золы может забить проход
газов между трубками котла; она нарастает в виде сталактитов,
висящих над топочным пространством, удаление которых сопря-
сопряжено со значительными трудностями. Налипание расплавленных
масс шлака на кирпичную обмуровку топки вызывает обычно
ухудшение работы топки и необходимость в более частом ремонте,
так как при отбивании прикипевшего шлака часто откалывается
и разрушается кирпичная кладка топки. Разрушение кладки
возможно также вследствие химического воздействия горячего
шлака. Места кладки, в которых наблюдается подобное опмакование, стараются защищать поверхностями, охлаждаемыми водой
(экранами), при устройстве которых прилипание шлака умень-
уменьшается.

Степень легкоплавкости золы сильно зависит от ее состава.
Например, зола древесного топлива вовсе не шлакуется, а зола
торфа шлакуется, и часто
попадается торф с такой
легкоплавкой золой, что очень
усложняется эксплуатация топок.
Поведение золы в топке
имеет решающее значение при
выборе типа топки и ее
конструктивных деталей. Особенно с
этим приходится считаться при сжигании твердого топлива под
крупными котлами, оборудованными слоевыми или камерными
топками, когда вследствие высоких форсировок и относительно
слабого охлаждения топочного факела поверхностями нагреза
котла и экранов в топке развиваются весьма высокие
температуры. Поэтому в настоящее время химические топливные
лаборатории подробно изучают золу и шлаки различных топлив,
вырабатывая стандартные методы исследования плавления.
При лабораторных исследованиях золы на плавкость в особую
электропечь помещают несколько выполненных из исследуемой
золы пирамид «конусов» высотой 20 мм со стороной основания
7 мм. Одна из граней пирамиды должна быть перпендикулярна
основанию.

При сжигании твердого кускового топлива шлакообразование
происходит в полувосстановительной газовой среде, поэтому при
лабораторных исследованиях золы на плавкость среду, в которой
расплавляется сформированный из золы «конус», составляют из
газов, в состав которых входят главным образом СО, СН4, Н2, при
полном отсутствии кислорода.

Расплавление золы в этой среде по сравнению с средой
полного сгорания дает понижение температуры плавления главным
образом за счет образования легкоплавкой закиси железа FeO, выделяемой в результате реагирования находящейся в золе окиси
железа с окисью углерода окружающей среды по формуле
Fe,O3+CO=2FeO+CO2.
При дальнейшей реакции FeO с кремнеземом создаются
наиболее легкоплавкие соединения.
При пылевидном сжигании топлива условия
шлакообразования видоизменяются, так как имеется избыток кислорода и зола
становится более тугоплавкой.

В процессе постепенного нагревания пирамидок в
электрической печи отмечают три момента (рис. 5):
1) температура начала деформации ??, которую
определяют в момент закругления или наклона вертушки пирамиды;
2) температура размягчения t% — фиксируется в
момент, когда верхушка пирамиды наклонится до основания или
же пирамида превратится в шар;
3) жидкоплавкое состояние и температура, ему
соответствующая, t3 — наступает в момент, когда содержимое
пирамиды растечется по основанию.

В табл. 1 приводятся характеристики плавления золы, получен
ные топливной лабораторией ВТИ для ряда топлив СССР.
При рассмотрении табл. 1 обращают на себя внимание низкие
цифровые значения температуры размягчения золы, т. е. того
момента, когда шлаки начинают приобретать тестообразное
состояние и могут забивать междутрубное пространство при сжигании
под водотрубными котлами пылевидного топлива или, нарастая
на стенки обмуровки, затруднять чистку топок, снижать их
мощность и т. ?

Эта характерная особенность топлив СССР заставила
теплотехников искать собственные пути в развитии топочной техники и
создать оригинальные конструкции топок, коренным образом
отличные от заграничных образцов. В частности экранные котлы,
дающие максимальное снижение температуры в топке, оказались
особенно уместными для наших условий работы. Например, при
сжигании угольной пыли под котлами большой мощности
практически оказалось, чго топку следует сильно экранировать даже для
такого топлива, как подмосковный уголь, температура плавления
золы которого не так уж низка.

Следует также отметить резкие колебания температуры начала
деформации для торфа (от 800 до 1410°); это обстоятельство
побуждает предварительно изучать торфяники, предназначаемые для
обслуживания строящейся котельной установки; температурная
характеристика золы получаемого торфа должна находить
отражение в проекте топочных устройств.

Объемный вес удаляемых из котельной отходов равен: золы —
600 кг/м3, шлаков — до 900 кг/м3.

Таблица 1:

В настоящее время у нас в СССР разработаны и начинают
получать распространение топки для сжигания пылевидного
топлива, конструкция которых обеспечивает создание
соответствующих температурных условий для удаления из топки шлака в
жидком состоянии.

Чтобы получить требуемые температуры в различных пунктах
топочной камеры, уже недостаточно данных, приводимых в
табл. 1. Необходимо дополнительное изучение изменения вязкости
шлака в зависимости от температурных условий с выявлением
температуры так называемого ликвидуса, при которой в шлаке
начинают выделяться кристаллы. С образованием кристаллов
увеличивается вязкость шлака и затрудняется его вытекание из
находящейся в нижней части топочной камеры лётки.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

§ 7. ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ОРГАНИЧЕСКИМ СОСТАВОМ,
ВЫХОДОМ ЛЕТУЧИХ И ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

На рис. 8 показаны отдельные виды твердого топлива, начиная
от дров и кончая антрацитом без учета серы и внешнего балласта.

График наглядно
показывает влияние
внутреннего балласта на
теплотворную способность и
выход летучих.

По мере уменьшения
внутреннего балласта
(О°+N) увеличивается
теплотворная способность
органической массы за
счет повышения главным
образом содержания
углерода в топливе. Содержание водорода для всех видов твердых топлив остается более или
менее стабильным и лишь у антрацита наблюдается некоторое
снижение.

Поскольку водород имеет высокую теплотворную способность,
антрацит, несмотря на суммарное повышение горючих элементов
в топливе, имеет меньшую теплотворную способность, чем
каменный уголь.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки. М.М. Щеголев

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

ВВЕДЕНИЕ

В 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым была
построена первая паровая машина непрерывного действия,
механическая работа которой могла использоваться на заводских
предприятиях для облегчения труда рабочих и повышения
производительности труда Высоко образованный человек, хорошо
знакомый с работами своего гениального современника М. В.
Ломоносова, И. И. Ползунов созданием своей паровой машины опе-
опередил почти на 20 лет заграничные изобретения, в частности
паровую машину Уатта, патент на которую был получен в 1784 г
Однако правящая верхушка феодально-крепостнической царской
России не поняла значения гениального открытия И. И. Ползунова, и оно было забыто.

Иностранцы, занимавшие высокие посты в Академии наук и
других учреждениях, не признавали и не ценили достижений
нашей науки и техники, умышленно тормозили внедрение в жизнь
новых открытий, а зачастую приписывали их себе.

В дальнейшем, с развитием в России капитализма, начала
развиваться промышленность, однако тенденция недооценки своих
творческих сил, преклонения перед заграничными авторитетами,
зависимость от иностранного капитала, всячески тормозившего
развитие отечественной промышленности, мешали прогрессу
нашей науки и техники.

Великая Октябрьская социалистическая революция положила
этому конец.
По инициативе В. И. Ленина был создан план Гоэлро,
сыгравший огромную роль в деле развития нашего народного хозяйства.
В годы сталинских пятилеток Коммунистическая партия и
правительство неуклонно проводили политику индустриализации
нашей страны.

Нет нужды доказывать, какую огромную роль в деле
индустриализации играют энерговооруженность промышленности и
механическая энергия — основной фактор, приводящий в
движение многогранное сложнейшее оборудование, рожденное современной техникой.

Мощный подъем индустриализации промышленности и
сельского хозяйства побудил перестроить котельную и топочную
технику на новых основах с учетом максимального использования
местного топлива.
В настоящее время на электростанциях СССР в отличие от
капиталистических стран максимально используется местное
топливо, на котором вырабатывается Vs всей электроэнергии.
Котлостроение в СССР по существу было создано заново.

Для мощных электростанций потребовались крупнейшие котлоагрегаты с высоким коэффициентом полезного действия
(к. п. д.). Были созданы специализированные заводы,
изготовляющие котельное оборудование.

Непосредственная творческая связь с
заводами-изготовителями во многом способствовала успешной работе
теплотехнических научно-исследовательских институтов: Всесоюзного
теплотехнического института имени Ф. Э. Дзержинского, Центрального
котлотурбинного института имени И. И. Ползунова,
Энергетического института Академии наук СССР имени Г. М.
Кржижановского и др.
Содружество научно-исследовательских институтов, проектных
организаций и промышленности позволило в кратчайший срок
догнать и перегнать зарубежное котлостроение.

Были созданы надежные в работе паровые котлы экранного
типа, прямоточные котлы лауреата Сталинской премии Л. К. Рамзина, на изготовление которых требуется значительно меньше
металла, чем для котлов прежних типов. Переход на топки для
сжигания угольной пыли позволил использовать отбросы топливоперерабатывающих заводов и антрацитовые штыбы,
получив при этом высокий к. п. д.; были освоены топки с жидким
шлакоудалением, облегчающие эксплуатацию котлоагрегатов и
очистку от золы уходящих газов.

Широкое распространение получили шахтно-цепные топки для
торфа Т. Ф. Макарьева, топки для сжигания фрезерного торфа
лауреата Сталинской премии А. А. Шершнева, шахтно-мельничные топки и т. п.
Научно-исследовательскими институтами изучены условия
сжигания топлива, теплопередачи, циркуляции пароводяного
потока, водный и паровой режимы котлов, детально разработан
расчет на прочность котлоагрегатов и целый ряд других вопросов.
Для изучения процессов аэродинамики и теплопередачи котла-
агрегата огромную роль сыграла теория моделирования, разрабо-
разработанная акад. М. В. Кирпичевым и его школой.

Эти исследования облегчили задачи проектирования простых
и надежных котлоагрегатов высокого давления. Сжигание
низкосортного влажного топлива вызвало необходимость применять
для горения подогретый воздух с температурой до 400° и выше,
что в свою очередь потребовало новых конструктивных решений
для пароперегревателей, водяных экономайзеров,
воздухоподогревателей с целью увеличения коэффициентов теплопередачи и
повышения температурного напора между греющей и
нагреваемой средой.

Строительство современных паросиловых станций идет в двух
направлениях — ЦЭС и ТЭЦ.
ЦЭС—конденсационная центральная электрическая станция—
предназначается для выработки электрической энергии и строится
по возможности в непосредственной близости к месту добычи
топлива.

Это объясняется тем, что из себестоимости отпускаемой
электроэнергии более 50% падает на расходы, связанные с
приобретением топлива и его транспортированием. Поэтому понижение
топливной слагающей сказывается на снижении стоимости
отпускаемой электроэнергии с ЦЭС.

На такой станции обыкновенно концентрируется большая
мощность, и станция предназначается для снабжения электроэнергией
целого района. В подобных условиях возможно максимально
механизировать процессы подачи топлива, золоудаления и пр.
Теплоэлектроцентрали строятся в непосредственной близости к
промышленному комбинату или городу, с тем чтобы снабжать
потребителя не только электрической энергией, но и теплом для
целей отопления и нужд производства. Эта станция обладает
весьма высоким к п. д., значительно превышающим
соответствующий коэффициент ЦЭС, благодаря чему сильно снижается
расход топлива.

Следует только отметить, что, располагая станцию в
промышленном центре, необходимо обратить особое внимание на
обезвреживание ее отходов, в первую очередь дымовых газов. Если,
например, сжигаемое в таких условиях топливо имеет много золы и
серы, то отходящие газы надо особенно тщательно очищать, чтобы
они не загрязняли воздух. Связанные с этим дополнительные
расходы на установку и эксплуатацию, однако, ни в какой степени
не могут уничтожить преимущества теплоэлектростанции, как
наиболее экономично работающей. Как правило, нужно стремиться
строить только ТЭЦ.

Если радиус охвата электросетей, идущих от ТЭЦ, достигает
200—400 км, то предельный радиус тепловых сетей равен 15 км.
Ограниченность радиуса раздачи тепла от станции к потреби-
потребителям вызывает ряд неудобств.

ТЭЦ приходится строить непосредственно в городе, что
затрудняет подачу к ней топлива и золо-шлакоудаление.
Кроме того, одновременно в городе даже при наличии очистки
отходящих газов ухудшаются санитарно-гигиенические условия.

целью ликвидации отмеченных затруднений поставлен вопрос
о строительстве ТЭЦ дальнего теплоснабжения городов с
расположением станции на расстоянии до 100 км от города.
Являясь пионером в деле теплофикации, СССР в настоящее
время стоит на первом месте по развитию централизованного
теплоснабжения.

Необходимо отметить, что в ряду источников механической
энергии (топливо, вода и ветер) топливу принадлежит первое
место. Топливо содержит запас химической энергии, находящейся в нем в потенциальном состоянии. В процессе сгорания, т. е. при
реакции соединения горючих элементов топлива с кислородом
воздуха, происходит преобразование химической энергии в тепловую.
В итоге этой реакции получаются газы, тепло которых и
используется далее для получения механической энергии. Эта
трансформация энергии может осуществляться по трем основным схемам
(рис. 1).

Наиболее простой является схема /. топливо, смешиваясь с
воздухом, сгорает непосредственно в самом двигателе, в
результате чего образуются газы с высокой температурой и давлением,
тепловая энергия которых и преобразуется в механическую
работу. По такому принципу работают двигатели внутреннего
сгорания и газовые турбины. Топливом в подобных случаях является
нефть или продукты ее перегонки.

В случаях использования твердого кускового топлива схема
получения механической энергии усложняется (рис. 1, схема //);
дополнительно устанавливается газогенератор, в котором топливо
сначала газифицируется, а затем уже направляется в двигатель
внутреннего сгорания или газовую турбину.

И, наконец, наиболее сложным путем протекает
трансформация энергии по схеме /// с включением промежуточного рабочего
тела — водяного пара. Здесь химическая энергия топлива
преобразуется в тепловую энергию продуктов горения, тепло которых
далее используется для получения водяного пара в паровом котле.
Из котла пар идет в паровую машину или турбину, где тепловая
энергия его преобразуется в механическую работу. Пар далее
направляется в конденсатор, где обращается в воду и насосом
перекачивается опять в паровой котел.

Исторически машины-двигатели начали строиться и внедряться
в промышленность по схеме III, так как общее развитие техники в
то время позволило конструктивно оформить лишь паровой
поршневой двигатель. Создание двигателей по схемам / и //
задерживалось, так как получаемые при этом высокие температуры газов
требовали большой точности изготовления машин и применения
специальных металлов. Это не обеспечивалось
машиностроительной промышленностью того времени.

В настоящее время используются все три схемы одновременно,
но для промышленного получения электроэнергии схема /// имеет
преимущественное распространение. Это объясняется тем, что хотя
экономичность паросиловых установок несколько и ниже (см.
рис. 1), чем двигателей, работающих по первым двум схемам, но
они позволяют использовать все виды топлива, включая и
низкосортное местное. Кроме того, паровые двигатели более надежны в
длительной эксплуатации и позволили создать более компактные
паротурбогенераторы большой мощности. В СССР строятся
турбины мощностью до 150 000 кет.
Следует отметить, что наблюдающаяся в настоящее время
тенденция дальнейшего повышения начального давления и
температуры перегрева пара приближает экономичность паросиловых
установок к двигателям, работающим по первой схеме.

В СССР в настоящее время поставлен вопрос о создании
тепло-электростанций, которые по своей экономичности перекроют
все мировые достижения Предусматривается повышение давления пара до 185—300 атм при температуре перегрева пара 550° с
доведением к. п. д. станции до 39%.
Большие перспективы открываются в области применения
схемы // с использованием подземной газификации угля, на
возможность чего впервые указал еще Д. И. Менделеев, а впоследствии
эту идею энергично поддержал В. И. Ленин.
Коэффициент полезного действия каждой из трех
рассмотренных выше схем получения механической энергии может быть значительно повышен при использовании низкопотенциального тепла
в установке.

В двигателях внутреннего сгорания можно использовать тепло
выхлопных газов и воды, охлаждающей их цилиндры (тогда
использование топлива значительно повышается). Приходится
только снабжать установку дополнительным оборудованием, которое
при малых мощностях сильно ее усложняет. По этим причинам
использование тепловых отбросов в устройствах этого типа
распространяется сравнительно медленно. Гораздо проще и
эффективнее можно использовать тепловые отбросы в случаях
получения механической энергии по схеме ///.

Распределение расходов тепла в паровой установке
конденсационного типа, работающей без использования тепловых отбросов,
изображено на рис. 2. Размер отдельных потерь будет меняться в
зависимости от индивидуальных особенностей установки, но порядок цифр сохранится. Наибольшие размеры приобретает потеря с
водой, охлаждающей конденсатор. Почти 60% тепла, вносимого с
топливом, расходуется на нагревание воды, перекачиваемой через конденсаторы и далее выбрасываемой опять в ту же реку или
озеро, откуда она забиралась насосами центральной
электрической станции. Количество этой воды примерно в 60 раз превышает
расход пара на турбину, причем температура воды по выходе из
конденсаторов не превышает 23—30°.

Если заставить турбину работать с давлением пара на выходе
более 1 ати, не устанавливая конденсатора, то удельный расход
пара на получение механической работы сильно возрастет. Из того
же количества пропущенного через турбину пара будет ВЫработаНО МеНЬШе
электроэнергии, но зато весь отработавший в турбине пар, имеющий
температуру более 100°, можно будет
использовать на нужды производственных
процессов, отопления и т. п. В таком случае
к. п. д. установки в целом сильно
возрастет (до 70% и выше). Подобные
станции, расходующие много пара и
вырабатывающие относительно немного
электрической энергии, получают
распространение в местах расположения
сетей высокого напряжения,
связывающих в кольцо ряд районных
электростанций. Режим работы такой станции определяется тепловым графиком, а получаемая электроэнергия
направляется в общую сеть. Если электроэнергию в общую сеть
передать нельзя, а промышленный комбинат должен иметь свою
тепловую и электрическую энергию, на станции устанавливают
турбины с промежуточным отбором, т. е. часть пара пропускают
через конденсатор, а из турбины производят отбор пара требуемых,
параметров для производственных целей или отопления.
Распределение по количеству пара, идущего в конденсатор и отбираемого
на нужды теплоснабжения, производится в зависимости от
теплового и силового графиков. Чем больше тепловой энергии
потребляет промышленный комбинат, тем меньше получается так
называемый конденсационный хвост и тем выше будет к. п. д.
установки.

Таким образом, схемы паровых установок с использованием
отработавшего тепла располагаются по своей экономичности
между двумя крайними пределами (рис. 3): от чисто
конденсационной установки, работающей с минимальным к. п. д., до установки
без конденсатора с полным использованием тепла, к. п. д. которой
Достигает предельных значений. В середине помещается установка
с отбором пара, причем чем больше этот отбор, тем выше к. п. д.
Когда станция располагается непосредственно на месте добычи
топлива, например, на торфяном болоте, где нет потребителей
тепловой энергии, то количество отбираемого пара достигает
минимальных значений и он расходуется только на регенерацию, т. е.
яа подогрев питательной воды, направляемой из конденсаторов
обратно в котлы. Но даже и это мероприятие, заставляя работать
турбину по регенеративному циклу, повышает экономический
к. п. д. на 6—10%.

Отдельные заводы и поселки, не нуждающиеся в большом
количестве тепловой энергии для технологических процессов и еще
не охваченные теплофикационной сетью, ток получают от
районных электростанций, а теплом снабжаются от собственных
котельных.

Условия социалистического хозяйства предоставляют широкие
возможности для укрупнения котельных и присоединения к одной
котельной ряда объектов, потребляющих тепловую энергию,
расходуемую на производственные цели, отопление, вентиляцию и
горячее водоснабжение целых кварталов. Укрупнение котельных
позволяет в больших масштабах использовать новейшее
оборудование и механизацию, что дает возможность добиться большой
экономии топлива при меньшем количестве обслуживающего
персонала.

Проектирование, монтаж и эксплуатация таких котельных, в
том числе и заводских, должны возлагаться на инженеров-отопителей как работников, наилучшим образом ориентированных в
характерных особенностях режима работы потребителей тепловой
энергии.

К сожалению, еще не везде четко представляют себе значение
и задачи инженера-отопителя, вследствие чего нередко даже
крупные отопительные котельные проектируются недостаточно
продуманно и на эксплуатацию их не обращается должного внимания.
В результате такого отношения к отопительным котельным в
практике эксплуатации даже заводских котельных часто
наблюдается значительный пережог топлива.

Отопительные установки имеют много специфических
особенностей, отличающих их от котельных паросиловых станций. Это
обстоятельство отражено и в данной книге, направленной в
основном на детальное ознакомление с относительно мелкими
агрегатами.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава II

РАЗНОВИДНОСТИ ТОПЛИВА

§ 10. ИСКОПАЕМЫЙ УГОЛЬ

Залегающий в большинстве случаев глубоко в недрах земли
уголь является основой топливного бюджета СССР. Уголь, как
говорил В. И. Ленин, «это настоящий хлеб промышленности».
Добыча угля производится под землей, в тяжелых условиях.
Чтобы, с одной стороны, облегчить работу, а с другой, — поднять
выработку, процессы добычи угля максимально механизируются.
При добыче угля обращается внимание на его обогащение,
чтобы в нем было меньше породы, повышающей зольность.

Обогащение производится как под землей (причем следят, чтобы
порода не попадала в уголь), так и на поверхности земли путем
применения углемоек, сепараторов и пр. При использовании обогащенных углей облегчаются условия сжигания, уменьшаются
расходы по перевозкам, повышается к. п. д. котельных установок.
Одновременно с внедрением механизации успехам в развитии
угледобычи способствует правильная организация трудовых
процессов: внедряется работа по цикличному графику, широко
развертывается социалистическое соревнование и его высшая
форма — стахановское движение.

Ископаемый уголь можно разделить на три группы: бурый
уголь, каменный уголь и антрацит.

Бурый уголь. По своей органической структуре бурый уголь
отличается повышенным содержанием внутреннего балласта
(О0 4- №), вследствие чего теплотворная способность
органической массы получается меньше 7 000 ккал/кг. По сравнению с
каменным углем бурый уголь имеет более высокий выход летучих
веществ, кроме того, он более гигроскопичен: влажность рабочего
состава превышает 10%, в то время как у каменных углей она в
большинстве случаев меньше. Бурые угли в большей степени по
сравнению с каменными способны самовозгораться при хранении.
Уголь, находясь на складе, постепенно адсорбирует кислород
воздуха. Этот процесс сопровождается нагреванием угля, вслед-
вследствие чего последний может самовозгореться.
Явление самовозгорания еще мало изучено. Выяснено, что спо-
способность к самовозгоранию возрастает в связи с удлинением срока
хранения угля на складе и увеличением высоты штабеля. Поэтому
при немеханизированных складах не рекомендуется для углей,
легко самовозгорающихся, делать штабель выше 2,5 м и хранить
их на складе более месяца.

Для механизированных складов высота штабеля не
ограничивается при условии послойного уплотнения штабеля тракторными
катками. Уплотнение производится с целью воспрепятствовать
проникновению воздуха в толщу слоя.

Бурый уголь в его органической части обладает достаточно
высокой теплопроизводительностью, но из-за повышенной влажности, а часто и зольности в рабочем составе тешюпроизв,одитель-
ность его резко снижается. Примером может служить
подмосковный уголь, у которого Q н = 6 240, a Ql = 2 540 ккал/кг и менее.
Имея высокий выход летучих веществ, благоприятствующий
получению смолы и других высококачественных погонов, бурые
угли обыкновенно не коксуются, этот недостаток, однако,
исправим. Для возможности коксования к бурым углям частично
примешивают коксующиеся каменные угли.

Каменный уголь. Из всех разновидностей ископаемых углей,
составляющих геологические запасы СССР, доминирует
каменный уголь: на его долю приходится примерно 80% всех залежей,
и им особенно богат Кузнецкий район,
Каменный уголь в свою очередь подразделяется на ряд
разновидностей. Длиннопламенные и газовые угли имеют
повышенный внутренний балласт (O°-j-N0!, затрудняющий спекание
кокса. В процессе коксования эти угли отличаются повышенным
выходом летучих. При горении образуется характерное длинное
пламя. Имеются сорта каменного угля, приближающиеся по
своему составу к чистому углероду, с минимальным количеством
Н°, О0 и № и высоким С0, так называемые тощие угли, они дают
неслекающийся кокс, так как углерод при коксовании не
расплавляется.

В промежутке между длиннопламенными углями и коротко-
пламенными — тощими — находятся жирные коксующиеся, они в
первую очередь и используются для получения металлургического
кокса, а также коксовального газа и высокоценных погонов.

Для внесения известной систематизации при маркировке
предлагались схемы классификации углей по тем или иным признакам.

Следует отметить затруднительность создания всеобъемлющей
классификации, так как каждое месторождение имеет свои
специфические, ему присущие особенности.

Каменные угли Донбасса имеют свою классификацию,
разбиваясь по признакам коксуемости и выхода летучих (табл. 11).
Таблица 11
Стандарт каменных углей Донецкого бассейна

В отличие от бурого угля каменный уголь обладает высокой
теплотворной способностью органической массы, превышающей
по своей величине таковую для всех родов твердого топлива (см.
рис. 8).
Теплотворная способность рабочего топлива также высокая и
доходит до 7 000 ккал/кг и более, главным образом из-за малой гигроскопичности каменного угля, вследствие чего его влажность
редко превышает 10%.

Кокс и полукокс. Как уже указывалось, наиболее
целесообразно используется топливо в том случае, если предварительно
оно подвергается воздействию термических процессов,
сопровождающихся выходом летучих. В зависимости от того, какие цели
ставят себе предприятия, перерабатывающие уголь, из каменного
угля при температурах порядка 900° получают кокс, генераторный
газ или смолу с последующей выработкой из нее ценных
химических продуктов. Для производства металлургического и
литейного кокса берут угли, дающие плотный сплавленный кокс
для
газификации идет длиннопламенный газовый уголь, а для получения
большого количества высококачественной смолы расходуются
жирные угли, причем процесс коксования предпочтительнее вести
при низких температурах E50°); в этом случае за счет
повышенных качеств погонов получается полукокс — продукт непрочный,
идущий на сжигание, но не используемый в металлургических
печах.

Методом полукоксования пользуются также для получения из
низкосортного твердого топлива значительного количества
высокоценных побочных продуктов.

Наиболее прочный и плохо поддающийся истиранию кокс
называется металлургическим, он используется на доменную плавку.
Более слабый кокс — литейный — направляют в вагранки для
переплавки уже готового чугуна.

Состав горючей массы, выход летучих, теплотворная способность горючей массы и загрязненность балластом для кокса приводятся ниже.

Объемный вес кокса зависит от его плотности, в среднем равен
примерно 450 кг/м3.

Брикеты. Спрессовывая мелочь кокса и полукокса углей,
фрезерного торфа, опилок в форму кирпича, шара, яйцевидную и пр.,
можно получить удобное для транспортировки и хранения
топливо

Если не удастся спрессовать мелочь без примеси
связующего элемента, то при формовке добавляют каменноугольный
пек — остаток смолы после ее переработки.

Ниже приводится характеристика брикета из углей Донецкого
бассейна.

Размеры брикета бывают и меньше — до 30X60X55 мм.

Антрацит. Антрацит по своему составу более всех углей
приближается к чистому углероду. Он отличается большой
прочностью, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки. Выход
летучих у антрацита ничтожный (несколько процентов), поэтому при
горении угли этого рода почти не дают факела, а также и дыма,
обычно сигнализирующего о неправильной работе топки при
сжигании длиннопламенного топлива. Рабочий состав антрацита в
большинстве случаев имеет относительно невысокую зольность и
малую влажность, объемный вес его выше других углей. Все эти
особенности характеризуют антрацит наравне с хорошими
каменными углями как топливо, весьма теплоплотное, вследствие чего
и радиус его использования, считая от места добычи, может
определяться уже тысячами километров.

Антрацит расходуется преимущественно на цели сжигания, так
как выход летучих у него невелик, кокс его рассыпается и,
следовательно, не может использоваться, например, для целей выплавки
металла.

Теплотворная способность органической массы антрацита
достаточно высокая, близкая к углероду, и уступает только
некоторым сортам каменных углей вследствие сниженного процента
водорода в органической массе (см. рис. 8).

Маркировка углей. Один и тот же тип угля в зависимости от
размеров кусков и количества мелочи подразделяется на
несколько сортов. Например, у донецкого антрацита и подмосковного угля
имеются сортировки, указанные в табл. 12 и 13. Угли других
месторождений имеют свою маркировку.

Объемный вес воздушносухих ископаемых углей колеблется
в пределах от 600 до 1 000 кг/м3. Объемный вес большинства
углей приближается к 900 кг/м3, меньшие цифры относятся к
некоторым бурым углям (исключая подмосковный), наивысший
объемный вес принадлежит антрациту.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

РАЗНОВИДНОСТИ ТОПЛИВА

§ 9. ТОРФ

Самым молодым по геологическому возрасту из ископаемых
топлив является торф. Угольные месторождения образовывались
из растительности доледникового периода.

Происхождение используемого в настоящее время торфа
относятся к послеледниковому периоду.
Обычно торф начинает накапливаться в постепенно
зарастающих водоемах. Торфяное болото, образовавшееся на месте такого
водоема, называется луговым. Торф в таком болоте по большей
части еще плохо разложившийся и многозольный. Эта многозольность получается вследствие наноса водой в толщу зарастающего
озера частей земляного покрова. С годами растительность
лугового болота изменяет свой характер: если вначале на нем еще
могут произрастать не только различные осоки, травы, но и
деревья, то с годами, когда слой торфа увеличивается и корням
растений уже трудно бывает достать илистую питательную среду,
деревья на такой почве бывают мелкорослыми и в конце концов
гибнут, а травы сменяются белым мхом, так называемым
сфагнумом — неприхотливым растением, питающимся влагой
атмосферного воздуха. Торф, образующийся в этой стадии развития
болота, называется моховым, он, естественно, получается мало-
малозольным, так как в толщу болота попадает уже не почвенная
вода, а только атмосферная.

Возраст луговых болот исчисляется столетиями, а моховых и
боровых, если на них росли деревья, — тысячелетиями.
Запасы торфа в СССР огромны; естественный годичный
прирост торфа далеко опережает его выработку. Торф является мест-
местным топливом, предприятия, потребляющие торф, должны по воз- 52 гл. и. разновидности топлива
можности находиться в непосредственной близости к торфяным
болотам, что не способствует развитию торфодобычи в районах
с малоразвитой промышленностью.

Так же как дрова, хорошо высушенный воздушносухой торф
имеет влажность Wp — 30—40 %.

В центральной полосе СССР при хорошей предварительной
осушке болота и правильно проведенных процессах добычи и
последующей сушки сырца получить воздушносухой торф вполне
возможно. Не приходится много говорить о желательности
уменьшения влажности, что сократит затраты на перевозку, улучшит
условия сжигания и пр., в то же время недосушенный торф
гораздо более гигроскопичен и способен скорее насыщаться влагой,
в особенности при хранении на открытом месте.

Засоренность золой торфяников РСФСР, по большей части
имеющих зрелую торфяную массу моховых и боровых болот,
выражается в среднем, считая на сухое вещество, Лс = 8,5%.
Для луговых торфов УССР средняя зольность значительно
выше: Лс= 19%.

Индустриализация Советского Союза и сопутствующие ей
грандиозные масштабы потребления тепловой энергии требуют
максимально развивать добычу торфа как топлива и увеличивать
процент его участия в общем топливном балансе страны. Перед
техникой сейчас стоят проблемы круглогодичной добычи и
искусственной сушки торфа. В настоящий же момент имеются
большие успехи в деле максимального внедрения механизации в
довольно трудоемкий процесс добывания торфа.

Ручная добыча так называемого резного торфа, при которой
торфяные кирпичи нарезаются лопатой вручную из
предварительно осушенного торфяного массива, в настоящее время не
играет сколько-нибудь существенной роли.

При механическом способе добычи торфяная масса выносится
из разрабатываемого карьера элеваторами или экскаваторами-
багерами, затем проходит через торфяной пресс, получает форму
ленты, перерезается на отдельные кирпичи и далее распределяется
механическими транспортерами по полю сушки. Торфяные
кирпичи после просушки собирают в штабели и затем направляют
к потребителю.

В последнее время начинает получать все большее
распространение послойный способ добычи торфа машинами,
напоминающими сельскохозяйственные.

Торфяное болото как бы вспахивается особым фрезером,
приводимым в движение трактором. После переворачивания при
сушке разрыхленных слоев торфяной массы получается
торфяная крошка, которая затем и штабелируется.

Невзирая на некоторые трудности, возникающие при хранении,
транспорте и сжигании подобного вида торфа, фрезерный способ

получает преимущественное распространение, так как при его
применении расходуется мало энергии и рабочей силы; стоимость
весовой единицы фрезерного торфа франко-болото обходится
примерно в 2 раза дешевле по сравнению с прочими
механизированными способами добычи.

Параллельно с механическим способом получения торфяных
кирпичей и все время конкурируя с ним, развивался
гидравлический способ, основанный на том, что торфяная залежь
размывается идущей под сильным напором струей воды. Получающаяся
жижа, предварительно пропущенная через особые «растиратели»,
насосами перекачивается на суходол, где и сушится. В итоге
образуется торфяная тестообразная масса, разрезаемая на
кирпичи особой машиной, передвигающейся по суходолу.

Этот способ добычи торфа особенно удобен при разработках
пнистых болот, так как размыв торфяника водой облегчает
выкорчевывание пней.

При добыче гидроторфа требуются большие затраты на
механическое оборудование, но меньшая затрата рабочей силы по
сравнению с добычей механическими способами, за исключением
получения фрезерного торфа — наиболее экономичного из всех
способов разработки торфяных болот.

В заключение следует добавить, что каким бы способом ни
добывался торф, болото предварительно подготовляют для
разработок; его осушают путем прорытия сети канав, затем
приступают к вырубке кустарников и леса, растущих на болоте,
корчеванию пней и снятию верхних низкокачественных слоев —
очеса.

Влажность торфа в болоте до осушки обычно колеблется в
пределах 89—94%, после осушки — около 87—88% для верховых
моховых болот и 80—85 % для низинных — луговых.
При машинноформовочном способе выработки торфяных
кирпичей обыкновенно для них принимаются следующие размеры:
13,3X13,3X35,6 см.

Объемный вес абсолютно сухих кирпичей, выложенных в
штабели, может быть принят в среднем равным 280 /сг/ж3. При
загрузке в вагонетки этот вес несколько ниже, так как нарушается
правильность расположения кирпичей. Для определения
объемного веса загруженного в вагонетку торфа следует вес штабеля
280 кг/м3 умножить на 0,8—0,9 (в зависимости от объема и формы
вагонетки). Объемный вес торфа заданной влажности может быть
пересчитан по формуле A4).

Кирпичи гидроторфа, имея примерно те же размеры,
получаются довольно неправильной формы, поэтому объемный вес
абсолютно сухого торфа в штабеле будет меньше 200 кг/м3;
уменьшается также до 0,7 и поправочный коэффициент при пересчете
на вес в вагонетках.

Средняя зольность гидроторфа почти не отличается от машинноформовочного, и, например, для торфяных болот Московской
области в среднем Лс =7,8%· Влажность гидроторфа немного
выше машинноформовочного; в среднем для того и другого может
быть принята W9 = 40 %.

Фрезерный торф сильно колеблется по размерам
крошки в зависимости как от типа болота, так и от типа машины и
способа получения торфа. Количество зерен размером до 0,5 мм
составляет примерно 30%, на долю зерен от 0,5 до 2 мм
приходится также около 30%, но имеются и крупные куски очеса и
плохо разложившегося торфа, вследствие чего около 10%
попадает кусков более чем 25 мм. В зимнее время во фрезерном торфе
появляются смерзшиеся куски размерами 50X50 мм и более;
количество таких смерзшихся кусков зависит от влажности торфа
и иногда превышает 40%. Влажность отдельных фракций разная,
она меньше в мелкой крошке и повышается с увеличением
крупности. В среднем влажность фрезерного торфа Wp =50%;
подсушенный до влажности менее 40% фрезерный торф начинает
пылить, что затрудняет его транспортирование и повышает потери
при перегрузках. Зольность на сухое вещество колеблется
главным образом от того, разрабатываются ли верхние слои малоразложившегося торфа, более многозольные, или нижние. В среднем
для Московской области зольность на сухое вещество фрезерного
торфа ниже, чем кускового, Ас =?7,5%. Для торфяников
Белоруссии, наоборот, кусковой торф имеет Лс= 10,5%, фрезерный —
Лс=11,0%.

При хранении в штабелях фрезерный торф под влиянием
главным образом деятельности микроорганизмов самонагревается, и
если температура внутри штабеля поднимется выше 70°, то не
исключена возможность самовозгорания штабеля. Поэтому за
штабелями организуют систематические наблюдения и измеряют
температуры на глубине от 0,5 до 2 м. Объемный вес абсолютно
сухого фрезерного торфа равняется примерно 290 кг/м3.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

§ 1. ГЛАВНЕЙШИЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

По определению Д. И. Менделеева, «топливом называется
горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла».
Общеизвестны основные разновидности топлива — дрова, торф,
уголь, сланцы, нефтяные остатки, газ. Все они представляют собой
органические соединения, способные при высоких температурах
вступать в реакцию с кислородом воздуха, при чем происходит
выделение тепла. Существует немало реакций, протекающих с
выделением тепла, однако в качестве топлива применяются
наиболее дешевые и удобные для сжигания реагенты. Топливо
добывается в большом количестве, запасы его в природе весьма
значительны. Требующийся для реакции кислород берется из
окружающего воздуха. В результате реакции получаются сильно нагретые
газообразные продукты сгорания, тепло которых используется в
котельной установке. Охлажденные газы через дымовую трубу
выбрасываются в атмосферу.

Для сжигания может использоваться как естественное топливо,
гак и искусственное, полученное после переработки естественного
топлива с целью выделения из него ценных продуктов, к которым
относятся смолы, бензины, бензолы, минеральные смазочные
масла, краски, фармацевтические продукты, сернокислый аммоний,
идущий для нужд сельского хозяйства, и др. Ниже приводится
главнейший перечень разновидностей естественного и искусственного топлива.

Естественное
топливо:
Древесина

Торф
Бурые угли
Каменные угли

Антрациты

Сланцы
Нефть
Природный горючий газ

Искусственное
топливо:
Древесный уголь
Торфяной кокс
Каменноугольный кокс и
полукокс
Брикеты из отходов твердого и жидкого топлива
Мазут, бензин, керосин
Генераторные газы, газ коксованьных печей, доменный газ и пр.

Цены, контакты для заказов см. на стр.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

§ 17. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

В качестве теплоносителя, доставляющего тепловую энергию
к ее потребителям, обычно используется пар или горячая вода.
В обоих случаях котельная установка представляет собой генератор, преобразующий в тепло химическую энергию топлива.
Основными элементами современной котельной установки
являются: топка, котел, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, в целом —
называемые котлоагрегатом, а также тягодутьевые, питательные устройства, оборудование топливо-
подачи и золоудаления. Рабочими телами, участвующими в процессах тепловых трансформаций, служит топливо,
воздух, вода.

Топливо, сгорая в топке, т. е. вступая в химическую реакцию
с кислородом воздуха, образует горячие газы, которые далее при
помощи тяговых устройств проводятся по газоходам котлоагрегата, охлаждаются и выбрасываются в окружающую среду.
В барабане парового котла пар получается насыщенный, и в
случае надобности он перегревается путем пропуска по особым
змеевикам, располагаемым в большинстве случаев за первым
газоходом котла. Полученные в топке газы, пройдя котел и
перегреватель, обычно имеют высокую температуру — около 300—
450°, и их невыгодно выбрасывать в трубу. Для повышения
экономичности установки за котлом устанавливают дополнительные
поверхности нагрева: экономайзер, подогревающий воду, идущую
на питание котла, и воздухоподогреватель, снабжающий топку
горячим воздухом.

В отопительных установках воздухоподогреватели по
причинам, о которых будет указано в дальнейшем, пока не получили
сколько-нибудь значительного распространения.
В настоящее время наибольшим распространением пользуются
так называемые водотрубные котлы, представляющие собой герметически закрытые сосуды, состоящие из большого количества
кипятильных труб (рис. 9а и 96), концы которых ввальцованы
в барабаны или коллекторы. Котлы, кипятильные трубы которых
только немного наклонены к горизонту (рис. 10 — паровой котел в
монтаже), называются горизонтально-водотрубными в отличие от
вертикально-водотрубных (рис. 11) —с трубами,
расположенными более отвесно. Котел заполняется водой примерно до
середины верхнего барабана, верхняя часть которого используется для
сбора пара. Горячие газы, полученные в топке, омывают трубы
котла, внутри которых находится вода; последняя доводится до
кипения, и образующиеся на поверхностях нагрева пузыри пара
выносятся в паровое пространство. Кипятильные трубы, ближе
расположенные к топке, обогреваются более интенсивно и в них
образуется пароводяная эмульсия с объемным весом меньше, чем
имеет вода. Так как все кипятильные трубы соединены между
собой, образуя сообщающиеся сосуды, то из-за разных объемных
весов в котельных трубах в котле начинается циркуляция. По
менее обогреваемым трубам, находящимся в последних газоходах
котла, вода из верхнего барабана опускается вниз, а по
интенсивно обогреваемым трубам поднимается пароводяная эмульсия.
Пар из последней выделяется в верхнем барабане с водяного
уровня (зеркало испарения), а вода возвращается в систему труб
котла.

Чем лучше циркуляция в котле, чем удачнее его конструкция,
тем легче отделяется пар и скорее выравнивается температура
воды в различных пунктах котла при растопках, тем, наконец,
быстрее смешивается питательная вода с общей водой котла,
приобретая температуру, соответствующую давлению. В отличие
от котла, в котором температура воды во всех
пунктах одинакова, в экономайзере она везде
разная; этот процесс постепенного
нагревания характерен для водяного экономайзера
и для водогрейных котлов.

Котельная установка может и не иметь всех перечисленных
элементов; так, могут отсутствовать воздухоподогреватель,
водяной экономайзер, пароперегреватель, а также иногда и котел,
заменяемый в водогрейной установке водяным экономайзером с
непосредственно к нему приключенной топкой.

На рис. 9а и 96 приводится чертеж котельной установки,
состоящей из вертикально-водотрубного котла с присоединенной
к нему топкой, механически забрасывающей топливо в топку.
Чтобы не затемнять чертежа, часть труб котла, как находящихся
в пределах газоходов, так и в экранирующих топочную камеру,
показана только в осевых линиях. На продольном разрезе
показаны габариты пароперегревателя, а на следующей проекции
можно видеть конфигурацию змеевиков пароперегревателя, концы змеевиков присоединены к входному и выходному коллек-
коллекторам, расположенным по боковым сторонам котла вне его
обмуровки.

За котлом установлен водяной экономайзер из чугунных
ребристых труб. Питательная вода последовательно проходит по всем трубам, двигаясь по рядам труб снизу вверх. По выходе из экономайзера подогретая вода направляется на питание котла в
верхний барабан. На рис. 9а и 96 показано также устройство систем
топливоподачи и золоудаления. В верхней части здания котельной
располагаются бункеры, в которые топливо подается механическими приспособлениями, а из них оно поступает к топкам за счет
силы тяжести. Если котел оборудуется колосниковыми решетками
с ручным обслуживанием, то обычно топливо подвозится к
топочному фронту на вагонетках, перемещаемых по узкоколейной
железной дороге вручную. Надобность в бункерах в таком случае отпадает.

Разрез по 1-1

В первом этаже котельного здания показана вагонетка, на
которой отвозятся шлак и зола за пределы котельной. Шлак и
зола с полотна колосниковой решетки постепенно отводятся в
шлаковый бункер в результате покачивания колосников. В
некоторых конструкциях шлак направляется в бункер при периодической чистке топки, когда часть полотна колосниковой решетки
поворачивается на угол в 90°, образуя таким образом проем,
через который вручную и сбрасывается шлак. Очаговые остатки,
поступившие в шлаковый бункер, сбрасываются в вагонетку,
заливаются водой и вывозятся из котельной.

Обмуровка котла производится кирпичом, причем в местах с
высокими температурами стены футеруются огнеупорным кирпичом. Обмуровка выкладывается на глине. В местах пониженных
температур иногда применяют сложный раствор. Обмуровка
снаружи укрепляется металлическим каркасом. Газоходы котла
отделяются друг от друга шамотными перегородками.

В случаях необходимости по тем или иным причинам
выключения экономайзера газы могут быть направлены в сборный боров,
минуя экономайзер (см. рис. 9а). Количество питательной воды,
подаваемой насосом через экономайзер в котел, регулируется
вручную или автоматически, с тем чтобы уровень питательной
воды находился в пределах водомерного стекла.
Паровой котел при изготовлении рассчитывается на определенное
давление, наблюдение за которым производится по манометру.
Последний является одним из основных приборов, по которому
следят за работой котла. Если увеличивается расход пара, то
давление в котле падает, кочегар начинает форсировать топку,
увеличивая подачу воздуха и топлива.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

ЗНАЧЕНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ТОПЛИВА

При сжигании топлива на колосниковой решетке, на которую
периодически вручную забрасываются новые порции топлива,
нельзя удержать одинаковый по толщине слой. Он будет меняться,
достигая максимальных размеров при загрузке свежих порций и
утончаясь по мере выгорания топлива впредь до новой загрузки.
Явления, происходящие при горении слоя с периодической
загрузкой, иллюстрируются диаграммой проф. К. В. Кирша (рис. 16).

На диаграмме по оси абсцисс откладывается время,
отмечается период между двумя загрузками топлива. Считая, что тяга
не регулируется, общее количество воздуха, проходящего в топку
через слой воздуха, изобразится линией ab} постепенно повышаю-
повышающейся по мере прогорания слоя и уменьшения вследствие этого
его газового сопротивления. Из поступившего в топку воздуха не
все его частицы используются на сгорание как в слое, так и в
топочном пространстве, часть из них остается неиспользованной,
причем чем меньше летучих в топочном пространстве, тем больше
получается возможностей для проскальзывания, не вступая в
реакцию, отдельных
струек воздуха.

Учитывая эти соображения,
на диаграмме нанесена
линия cd изменения
количества воздуха,
поддающегося
использованию на цели сжигания.
Загруженное на
горящий слой свежее
топливо сначала
подсыхает, потом начинает
бурно газифицировать, для
сжигания
выделяющихся летущих веществ
уже нехватает воздуха,
появляется неполнота
сгорания, постепенно
исчезающая по мере затухания процесса коксования
заброшенных порций топлива. К концу периода между отдельными
загрузками горит главным образом кокс на решетке и при утонченном
слое получается полное сгорание с большим избытком воздуха.

Рис. 16

Таким образом, при сжигании кускового топлива
на колосниковой решетке с ручным
обслуживанием приходится считаться с двумя
потерями: химической неполнотой сгорания в
первые моменты после загрузки и увеличенной
потерей с отходящими газами в конце.

Изменение требующегося количества воздуха для горения в
течение периода характеризуется кривой ef. В сущности были только
два момента хорошей работы топки без чрезмерного избытка
воздуха и при полном сгорании — это в местах пересечения линий
cd и ef. Поэтому при сжигании топлива на колосниковых
решетках приходится мириться с возникающими при этом тепловыми
потерями, обусловленными периодическим забрасыванием
топлива. При экспериментировании устанавливают такую среднюю толщину слоя топлива, чтобы сумма потерь от неполного
сгорания и с отходящими базами достигала бы минимального значения.

Следовательно, правильно выбранная толщина
слоя топлива будет являться в данном случае
линией, околокото ройколеблетсяслойтоплив а,
повышаясь при загрузке и понижаясь при
прогаре. Очевидно, чем меньше получится диапазон этих колебаний,
тем ближе будут подходить условия горения к нормальным,
меньше будут мешки, образуемые взаимным пересечением линий
cd и ef, а этого можно достигнуть, чаще загружая
топливо более мелкими порциями. Последнее мероприя-
мероприятие особенно следует подчеркнуть, так как кочегары часто его
игнорируют.

Периоды между отдельными забросами топлива рекомендуется
брать при антраците (наиболее теплоплотном топливе) 7—8 мин.,
для остальных топлив желательно еще короче.
В практике топкостроения уже пытались уничтожить эти
дефекты работы колосниковой решетки. Так, в топочное
пространство «в период максимальной газификации вводился добавочный
воздух. Регулировка моментов впуска этого добавочного воздуха
должна производиться каждый раз применительно к составу
топлива и условиям его сжигания, иначе вместо пользы может
получиться вред; главным образом вследствие этих обстоятельств это
мероприятие и не получило распространения. Другим
мероприятием, улучшающим тепловую работу топки и облегчающим труд
кочегара, явилось сокращение почти до нуля интервалов времени
между отдельными загрузками и введение непрерывной заброски
топлива особыми механизмами, так называемыми
«механическими кочегарами».

В шахтных топках (рис. 33), а также на механических
решетках (рис. 66) слой топлива, изменяясь по толщине в пространстве,
что для некоторых топлив и топок целесообразно и о чем будет
говориться ниже, не изменяет своих размеров во времени.
Поэтому в подобных случаях можно, установив должные
соотношения по толщине слоя, достигнуть полного сгорания, и
оптимальная сумма потерь получится при отсутствии одной из них, т. е.
неполноты сгорания.

Требующийся объем топочного пространства выясняется в
процессе проектирования топки

Нужную толщину слоя
устанавливают при эксплуатации в зависимости от сорта топлива, крупности
его кусков, влажности, структуры, степени горючести и пр.
Контролировать, удачно ли выбрана толщина слоя, можно двояко. Лучше всего, конечно, при помощи приборов —
газоанализаторов, показания которых дают возможность судить как о полноте сгорания топлива, так и об избытке воздуха. В случаях отсутствия приборов при сжигании всех топлив за исключением антрацита, почти не имеющего выхода летучих, появление
химической неполноты сгорания определяется по дыму, а должный избыток воздуха можно приблизительно оценить по форме и цвету факела. При полном сгорании и одновременном малом избытке
воздуха пламя получается прозрачное, соломенно-желтого цвета и длинное. В случаях большого избытка воздуха пламя, не изменяя своей прозрачности, становится коротким. При неполном сгорании пламя, оставаясь длинным, краснеет и в нем появляются темные прослойки. Труднее ориентироваться при сжигании
антрацита. Признаком неполного сгорания являются голубые язычки горящей окиси углерода, появляющиеся над слоем антрацита и при очень сильной неполноте сгорания даже залетающие в котельные газоходы. Установленная тем или иным способом правильная толщина слоя колеблется для разных видов и сортов топлива в
значительных пределах, что иллюстрируется приводимыми данными ориентировочной толщины слоя для различных топлив.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

§ 5. ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВА

Как уже указывалось, горючими элементами в топливе
являются углерод С, водород ? и летучая горючая сера S.
Элементарно их горение может быть представлено следующими уравнениями:

Если предположить, что элементы, входящие в состав топлива,
находятся в нем в виде механической смеси, то теплотворная
способность топлива может быть подсчитана как сумма на основании
сведений о сгорании горючих элементов.

Однако определение теплотворной способности подобными
методами дает значительное расхождение с действительной
теплотворной способностью, определенной методом калориметрирования. Происходит это вследствие того, что нельзя топливо
рассматривать как механическую смесь отдельных элементов.
Молекулы топлива имеют весьма сложное строение, и в процессе
горения происходит химическое разложение молекул с затратой
на эти процессы тепла.

Таким образом, зная элементарный состав топлива, его
теплотворную способность можно только приблизительно определить
по эмпирическим формулам; из них наиболее точная принадлежит
Д. И. Менделееву и выражается так:

QP = ? 1 Ср + 300Нр – 26 (Ор — Sp) шал/кг.

непосредственное определение теплотворной
способности топлива
производится путем сжигания навески топлива в
атмосфере кислорода. Для
этих целей служит так
называемая
калориметрическая бомба,
представляющая собой толстостенный
сосуд, в котором
помещается топливо и
нагнетается кислород до
давления в 25—30 ати.
Бомба (рис. 6) имеет
емкость около 300 смъ в
выполняется из
кислотоупорной стали. В крышке
бомбы располагаются
краны для подвода
кислорода и выпуска
сгоревших газов. Подвод
кислорода производится по
трубке в нижнюю часть
бомбы; отводятся газы
сверху. С крышкой бомбы
соединяется стержень, к
которому прикрепляется
платиновая или
кварцевая чашечка, в нее
помещают навеску твердого
топлива или наливают
жидкое. Стержень и
трубка, подводящая кислород,
образуют электрическую
цепь с топливом, причем
стержень электрически
изолируется от тела
бомбы. По цепи пропускается
электрический ток.
Замыкание цепи производится
стальной тонкой
проволокой.
Навеску твердого топлива берут равной 0,8—1,5 г, жидкого —
0,6—0,8 г. Из навески твердого топлива часто образуют брикетик,
в который и впрессовывается замыкающая сеть запальная
проволока, сгорающая при пропускании через нее электрического тока
напряжением 12—15 в. Проволока, сгорая, поджигает и навеску
топлива. Небрикетирующееся топливо (антрацит, тощий уголь,,
сланцы, очаговые остатки) сжигают в порошкообразном виде.
Запальную проволоку изгибают так, чтобы она соприкасалась с
топливом (с порошком твердого топлива или с жидким топливом).
Бомбу погружают в сосуд, наполненный водой и имеющий
емкость 2 000—2 500 см3. Эгот калориметр в свою очередь помещают
в металлический футляр с двойными стенками, пространство
между которыми заполняют водой. Этот футляр в значительной
степени защищает калориметр от теплообмена с окружающей средой.
Калориметр снабжают особыми мешалками, приводимыми в
движение от электродвигателя и служащими для выравнивания
температуры воды.

Комната для калориметрирования должна быть обособленной,
окна по возможности выходить на север, чтобы избежать
воздействия лучей солнца.
После того как в бомбу положена навеска топлива и впущен
кислород с давлением до 25—30 ати, через электрическую цепь
пропускается ток, запальная проволока и навеска сгорают.
Выделяющееся тепло нагревает воду калориметра; повышение
температуры воды отмечается по специальному термометру с точностью
до 0,001°.

Деления термометра рассматривают через оптическую трубу
прочно прикрепленную к штативу, чем исключается возможность
известных индивидуальных ошибок в определении отметки
стояния ртути.

В топливе и в баллоне с кислородом, откуда последний
поступает в бомбу, имеется некоторое количество азота,
способствующее образованию в бомбе азотной кислоты; точно так же летучая
сера сгорает в присутствии воды в серную кислоту.

Образование этих кислот сопровождается тепловыделением, которое нужно
подсчитать и вычесть из полученной теплотворной способности,
так как в эксплуатационной практике сжигания топлива таких
кислот не образуется. Вода, образующая кислоты, получается в
бомбе за счет конденсации водяных паров; чтобы полностью
обеспечить растворение кислот, в бомбу наливают 10 см3
дистиллированной воды.

При сгорании навески топлива тепло воспринимается не только
водой калориметра, но и всей установкой, состоящей из
калориметрического сосуда с налитой в него водой, мешалки, термометра
и бомбы с ее содержимым. Теплоемкости отдетъных частей
разные, поэтому предварительно бомбу тарируют, сжигая в ней вещество, теплотворная способность которого точно известна и не
изменяется. При этом опыте выясняется водный эквивалент
бомбы, т. е. тепловосприятие всех перечисленных частей установки
заменяется тем же восприятием эквивалентного весового
количества воды. В качестве вещества, сжигаемого при тарировке,
обычно используется навеска бензойной кислоты.

Калориметр, находясь в комнате, даже без сжигания топлива
в зависимости от температурных условий будет отдавать или
воспринимать тепло окружающей среды. Поэтому разность
температур, найденная в интервале от начала сжигания до конца
повышения температуры воды в калориметре, еще не будет
характеризовать теплотворную способность топлива. Надо ввести
поправку на теплообмен прибора с окружающей средой, так как за
это время он в свою очередь мог отдавать или воспринимать
тепло. Систематически записывая температуру воды в течение
некоторого времени до опыта, во время опыта и после, можно
получить эту поправку. Поправка определится на основании
выявления величины изменения температуры воды в калориметре
только вследствие воздействия с окружающей средой. Зная вес
запальной проволоки и ее теплотворную способность, можно
внести поправку и на горение проволоки.

В итоге теплотворная способность топлива по бомбе
определяется следующей формулой:

Азот в калориметрическую бомбу попадает вместе с
кислородом из баллона, а также из навески топлива. В результате окисления азота кислородом при наличии воды образуется азотная
кислота.
Основываясь на результатах многолетних опытов, А. И.
Карелин предложил следующую эмпирическую формулу поправки на
образование азотной кислоты в заданных условиях:
QjV = 0,0015Q6 кал/г. (9)
Поправка утверждена соответствующим ГОСТ.

При сжигании горючей серы, находящейся в топливе,
образуется SO2 и при наличии воды — серная кислота H2SO4. На
каждый грамм летучей серы, находящейся в топливе, при образовании
серной кислоты выделяется 2 250 кал, или на 1 % —22,5 кал. Таким
образом, поправка на образование серной кислоты может быть
выражена так:

более 38=22,5?л кал/г. A0)
Вычитая из величины теплотворной способности, полученной
по бомбе, затрату тепла на образование кислот, определяют
теплотворную способность топлива по так называемому высшему
пределу:
Qb = Q6_0,0015Q6 — 22,55л кал/г. A1)
Если производилось определение теплотворной способности
рабочего топлива, то можно написать
Ql= Ql — Q,Q0\6Ql — 22,5SS ккал\кг, A2)
При экспериментальном определении теплотворной
способности топлива путем калориметрирования пары воды, получившиеся
в результате реакции сгорания, конденсируются на относительно
холодных стенках бомбы, возвращая скрытую теплоту
парообразования. Поэтому теплотворная способность топлива,
определенная в калориметрической бомбе, будет выше того количества
тепла, которое можно реализовать в практических условиях сжи-
сжигания топлива в топках котлов или печей.

Связь между теплотворной способностью по высшему и низшему пределам, учитывая потерю скрытой теплоты
парообразования, может быть определена следующим образом.
Весовое количество водяных паров, образовавшееся в
результате горения водорода, подсчитывается умножением веса водорода, находящегося в 1 кг топлива |-—) [см. формулу A)], на 9,
так как при сгорании 1 кг водорода образуется 9 кг воды. Сюда
прибавляется вес воды (—), находящейся в топливе и испарившейся при его сгорании. Цифровое значение скрытой теплоты
парообразования должно приниматься с учетом парциального
давления водяных паров в отходящих газах и округленно
принимается равным 600 ккал/кг.

Теплотворная способность рабочего топлива определяется по
формуле

Теплотворная способность газообразного топлива также может
определяться в бомбе, но технически такой способ получается
сложным, и для исследований часто пользуются калориметрами
специально приспособленными для сжигания газа.

Взаимный пересчет теплотворной способности одного состава
топлива на другой производится аналогично с пересчетами
элементарного состава, только необходимо учитывать затрату тепла
на испарение воды.

Как отмечалось ранее, теплотворная способность
топлива может быть точно определена только
путем сжигания средней пробы топлива в кг

лориметрической бомбе. Методы отбора средней пробы
топлива подробно будут рассмотрены в § 6. Необходимо только
отметить, что состав большинства топлив весьма непостоянен даже
для одного и того же места добычи, пласта угля, рудника, болота
и т. п., поэтому, чтобы дать характеристику месторождения
топлива, необходимо иметь многочисленные исследования средних
проб и по ним уже судить о некоторых средних цифрах состава
топлива, теплотворной способности его горючей массы и пр. Этим
материалом обладают химические топливные лаборатории СССР,
систематизацию которого пока проводила только лаборатория
ВТИ, периодически опубликовывая качественные
характеристики топлив СССР. На основе этих данных и подсчитана
табл. 2, в которой приводится состав рабочей массы ири
характерных средних цифрах загрязненности золой и влагой. Низшая
теплотворная способность дана для этих средних условий.
Если для заданных условий внешний балласт топлива (зола
и влага) приходится брать отличным от среднего, то нетрудно
сделать пересчет сначала на горючую массу, а затем «а новые
условия.

При проектировании можно брать состав и теплотворную
способность по табл. 2. При экспериментировании отбирается
средняя проба и затем ее исследуют в химической лаборатории, где
определяют как элементарный состав топлива, так и его
теплотворную способность.

Учеб. пособие Е.А. Блинов ТОПЛИВО И ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

Топливо, топки и котельные установки

ОГЛАВЛЕНИЕ книги Котельные установки

Глава I

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА

§ 2. СОСТАВ ТОПЛИВА

Топливо, расходуемое на сжигание в топках котлов или печей,
называется рабочим топливом. Если мы отберем пробу рабочего
топлива и исследуем ее в химической лаборатории, определив
элементарный состав, то получим следующее равенство:


где индексом „р» отмечается рабочее топливо

Эта характеристика рабочего состава топлива дается в
процентах к весу. Указанные элементы не являются механической
смесью, они находятся в топливе в виде сложных соединений.
Горючими элементами топлива являются Ср, Нр и S? —
углерод, водород и летучая горючая сера — в отличие от серы
негорючей, входящей в состав минеральных негорючих примесей
топлива, образующих после его сжигания золу Ар. Чем больше
процентное содержание горючих элементов в топливе, тем выше
его теплотворная способность — величина,
указывающая количество больших калорий, выделяемых при сжигании
1 кг топлива.

Ор — кислород, находящийся в топливе; тепла, как известно,
не выделяет.

Np — азот, находящийся в топливе; элемент инертный, не
участвующий в реакциях горения. Из топлива азот попадает в
отходящие газы и примешивается к азоту воздуха, подаваемого для
горения. Азот и кислород называются внутренним балластом
топлива в отличие от балласта внешнего, к которому относятся
зола и влага.

Зола Ар — это негорючая минеральная часть топлива; в нее
входят по преимуществу соли щелочных и щелочно-земельных
металлов, окислы кремния, железа, алюминия и пр., а также и
минеральная сульфатная сера в соединениях CaSO4 и MgSO4.
Накопление золы в ископаемом топливе происходит не сразу,
а в три периода. Сначала появляется так называемая зола
внутренняя (первичная), находившаяся в растениях, послуживших
материалом для образования торфяников, а впоследствии и
угольных пластов. Затем количество золы в топливе увеличивается за
счет заноса земли и песка ветром и водой (вторичная зола). И,
наконец, зола в топливо попадает при его добыче от загрязнения
породой (третичная зола).

Общая сера, находящаяся в топливе,
разбивается на две части — горючую и негорючую Sfp6 = S?4-SS.
Минеральная сера входит в состав золы, а летучая в свою
очередь может быть расчленена на две составляющие:

где So—органическая сера, входящая в состав основного ядра
топлива, его материнского вещества;
Sj—сера колчеданная, находящаяся в соединении с
железом (FeS2—серный колчедан), вкрапленная в топлива
до известной степени случайно и в значительной
степени поддающаяся отбору при сортировке топлива.

Сера в топливе, невзирая на то, что часть ее сгорает, считается
примесью нежелательной, так как продукты ее сгорания вредно
действуют на котельную установку и загрязняют окружающий
воздух.

Влага в топливе Wp— также примесь балластная, ее
наличие особенно сильно сказывается в смысле снижения
теплового эффекта горения, так как мало того, что вода своим
присутствием уменьшает долю горючих элементов в единице веса
топлива, она при горении топлива испаряется, отнимая на это часть
тепла реакции.

Находящаяся в топливе влага подразделяется на внешнюю и
гигроскопическую. Находясь в сухом месте, топливо теряет
внешнюю влагу и называется в таком случае воздупшосухим.
Оставшаяся часть влаги — гигроскопическая — удаляется из пробы
топлива лабораторным путем.

Кроме рабочего топлива, т. е. состава,
характеризующего данное топливо при его загрузке в топку, при изучении
структуры топлива приходится пользоваться также искусственно
созданными производными этого основного состава, лишая их того
или иного элемента. Так, исключая из рабочего состава влагу,
можно получить характеристики сухого вещества топлива по
выражению

Зная состав рабочего топлива, этот пересчет сделать нетрудно.
Если из 100 вес. ч. топлива выкинуть проценты, выражающие
влажность, то оставшееся количество весовых частей каждого
элемента будет относиться уже не к 100, а к 100—Wp. Если хотят
произвести пересчет опять в отношении к 100, то, очевидно, проценты
состава каждого элемента надо сначала отнести к единице,
разделив на 100—??, и затем умножить на 100. Формула пересчета
примет вид:

и т. д.
Зольность топлива принято считать на безводное топливо, т. е.
на сухую массу, иначе могут получиться ошибочные
представления о его засоренности.

Влага и зола, являясь примесями балластными и внешними, в
количественном отношении сильно колеблются даже для одного и
того же рода топлива. Примесь влаги зависит от рода топлива и
методов его добычи, транспортирования, хранения на складе и пр.
Количество золы тоже непостоянно; для углей оно зависит от характера пласта, оборудования шахт, а также от способов
обогащения (сортировок, моек и пр.).

Зольность торфа зависит от способа добычи. Довольно
устойчивая зольность дров увеличивается для сплавных дров по
сравнению с дровами сухопутной доставки. Поэтому влага и зола, а
также и колчеданная сера не могут служить характеристикой
основной структуры исследуемого топлива — его органической
части. Класс, например, угля, его геологическое происхождение,
качество основной органической части определяются после
отделения внешнего балласта и серы. Серу органическую отделять не следовало бы, но аналитически такое деление серы летучей
горючей на две составляющие — органическую и колчеданную —
химические лаборатории начали производить сравнительно недавно.
Поэтому ворганический состав топлива вводят
только углерот;, водород, кислород и азот, отделяя влагу, золу и
летучую серу:

Пересчеты элементарного состава топлива с одной массы на
другую производятся по формулам, аналогичным уже
приведенной формуле C).

Например:

и т. д.
Чтобы лучше выявить средневзвешенные величины,
характеризующие состав топлива определенного месторождения,
необходимо отобрать большое количество проб и проделать сотни
анализов. Только обрабатывая цифры, полученные в результате столь
значительного количества анализов, можно будет с большей или
меньшей вероятностью судить о качестве данного топлива,
добываемого из пласта, рудника, болота и пр. Большинство анализов
топлива, которыми располагают лаборатории, дает возможность
определить не органическую структуру, а беззольно-безводный
состав, или так называемую горючую массу топлива:

Если анализов на органический состав мало и по ним
рискованно судить о структуре топлива, то вместо органического
состава пользуются весьма близко примыкающей к нему
характеристикой горючей массы.