Тепловой расчет топки

При выбранных конструктивных характеристиках топочной камеры тепловой расчет ее заключается в определении температуры газов на выходе из топки /1/:

.

Адиабатическая температура горения () определяется по энтальпии газов , приравненной к полезному тепловыделению в топке при (таблица 3).

Полезное тепловыделение в топке /1/:

,

где = 23426 кДж/кг - располагаемое тепло топлива (см. 7);

= 0, = 0,5%, = = 0 - потери тепла от химической, механической неполноты сгорания топлива и с теплом шлака;

= 0 - тепло, вносимое в топку паровым дутьем;

r_рц = 0 - коэффициент рециркуляции газов;

H_г.отб - энтальпия газов за местом отбора, кДж/кг;

- тепло, вносимое в топку воздухом, кДж/кг, определяется по формуле /1/:

,

где = 2428 кДж/кг - энтальпия теоретически необходимого количества горячего воздуха при его температуре за воздухоподогревателем = 300 °С (таблица 2);

1,13·2428 + (0,02 + 0)· 237,86 = 2748,4 кДж/кг;

= 26174,4 кДж/кг;

кДж/кг;

- находится по энтальпии газов ;

2095 ^оC;

T_а = + 273 = 2095 + 273 = 2368 К;

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива /1/:

,

где - ожидаемая температура газов на выходе из топки;

= 12195 кДж/кг - энтальпия газов на выходе из топочной камеры (таблица 3);

= 13,38 кДж/(кг·К);

Среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов /1/:

,

ψ_эк - коэффициент тепловой эффективности экранов топки, определяемый по формуле /1/:

,

где - угловой коэффициент, равный единице для газоплотных экранов;

0,45 - коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление загрязнения /1/;

1·0,45 = 0,45;

ψ_ш - коэффициент тепловой эффективности выходного окна топки /1/:

,

где - угловой коэффициент выходного окна топки;

Для выходного окна топки, отделяющего топку от расположенной за ним поверхности нагрева, коэффициент определяется по формуле /1/:

,

где - коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и поверхностью нагрева. Так как за окном топки расположены ширмы, то коэффициент β принимается равным 0,6 при сжигании твердого топлива /1/;

0,45·0,6 = 0,27;

;

Среднее значение коэффициента тепловой эффективности:

=

= = 0,436;

Коэффициент сохранения тепла определяется по формуле /1/:

B_р = 10,227 кг/с - расчетный расход топлива;

M – безразмерный параметр, учитывающий влияние изменения положения ядра факела (максимума температуры пламени) по высоте топки на температуру .

Для камерных топок параметр M рассчитывается по формуле /1/:

,

где M_o = 0,46 для пылеугольных топок с твердым шлакоудалением при тангенциальном расположении горелок /1/;

- относительный уровень расположения горелок в топке /1/:

,

где - средний уровень расположения настенных и угловых горелок /1/:

,

где = z_яр = 2 - число ярусов горелок;

= 4 - число горелок в ярусе;

= B/z_г = 10,33/8 = 1,291 кг/с - расход топлива, подаваемого в горелку яруса;

- уровень расположения осей горелок в ярусе; определяется как расстояние от середины холодной воронки до оси горелок в ярусе (рисунок 1), м;

1,871 + 2,251 = 4,122 м;

4,122 + 4,178 = 7,652 м;

= = 6,211 м;

- расчетная высота топочной камеры, м; определяется как расстояние от середины холодной воронки до середины выходного окна топочной камеры:

H_т = h_т – 0,5·h_ок = 30,953 – 0,5·7,28 = 27,313 м;

Относительный уровень расположения горелок в топке:

0,227;

r_v - параметр забалластированности топочных газов, определяемый по формуле /1/:

,

где = 7,454 м³/кг - объем газов на выходе из топки (таблица 2);

= 1,276;

= 0,454;

Эффективное значение критерия Бугера /1/:

,

где Bu - критерий Бугера, характеризующий поглощательную способность продуктов сгорания, определяется по формуле /1/:

,

где k - коэффициент поглощения топочной среды, 1/(м·МПа), рассчитывается по составу газов на выходе из топки. При его определении учитывается излучение трехатомных газов (RO₂, H₂O) и взвешенных в их потоке частиц сажи, летучей золы и кокса.

- давление в топочной камере;

- эффективная толщина излучающего слоя /1/:

м;

Коэффициент поглощения топочной среды при сжигании твердых топлив /1/:

,

где - коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания /1/:

,

где 0,096 - объемная доля водяных паров в продуктах сгорания (таблица 2);

= 0,146 + 0,096=0,242 - суммарная объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания (таблица 2);

 

= + 273 = 1050 + 273 = 1323 К - абсолютная температура газов на выходе из топки;

=

= 0,836 ;

- коэффициент поглощения лучей частицами золы, определяется по формуле /1/:

,

где 0,0156 кг/кг - концентрация золы в продуктах сгорания (таблица 2);

A_зл = 0,8 – коэффициент, принимаемый в зависимости от вида топлива /1/.

= 0,93 ;

- коэффициент поглощения лучей частицами кокса /1/;

= 0,836 + 0,93 + 0,2 = 1,966 ;

1,966·0,1·5,975 = 1,175;

0,986;

1070,5 °С.

Расчетная температура на выходе из топки отличается от ожидаемой на 20,5 ⁰С, что является допустимым при тепловом расчете.

По найденному значению температуры газов на выходе из топки определяется энтальпия газов (таблица 3) и количество тепла, воспринятого в топке /1/:

12457,5 кДж/кг;

13648,3 кДж/кг.

Удельное тепловосприятие отдельной зоны определяется по формуле /1/:

,

где y_в – коэффициент распределения тепловосприятия по высоте топки; определяется в зависимости от относительной высоты h/H_т;

ψ и ψ_ср – коэффициенты тепловой эффективности поверхностей нагрева соответственно рассчитываемой зоны и в целом топочной камеры;

= 328,82·y_в·ψ.

Надежная работа топки с точки зрения предотвращения интенсивного шлакования экранов при твердом шлакоудалении определяется тепловым напряжением зоны активного горения и температурой газов в конце этой зоны.

Для твердого шлакоудаления при прямоточных горелках высота зоны активного горения условно принимается равной /1/:

h_а.г = (z_яр – 1)∙ h_яр + h_а + 1,5·b_а + h_н.к = (2–1)· 4,178 + 1,262 +1,5·0,324 + 1,62 = 7,546 м;

Тепловое напряжение зоны активного горения определяется по формуле /1/:

,

где - коэффициент, характеризующий отдачу тепла излучением из зоны активного горения в верхнюю часть топочной камеры; равен 0,2, так как сжигание высокотемпературное /1/;

0,436 - коэффициент, характеризующий отдачу тепла излучением из зоны активного горения в сторону холодной воронки;

f_г = h_г·b_г = 1,262·0,324 = 0,409 м² – площадь амбразуры горелки;

766,3 кВт/м²;

Тепловое напряжение зоны активного горения q_л.г = 766,3 кВт/м² не превышает допустимого значения q_л.г.доп = 1350 кВт/м² /1/.

Температура газов в конце зоны активного горения /1/:

,

q_4а.г = 8% - величина механического недожога топлива в конце зоны активного горения /1/;

Так как система пылеприготовления замкнутая, то физическое тепло топлива h_тл не учитывается /1/.

– теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива при и α_т:

= / ,

где = 18068 кДж/кг – энтальпия газов на выходе из зоны активного горения, определяется по предварительно заданной = 1500 °С (таблица 3);

= 18068/1500 = 12,045 кДж/(кг·К);

- коэффициент теплового излучения (степень черноты) топочной камеры, определяется по формуле /1/:

,

где - степень черноты факела.

;

ψ·F = ψ_ср·F_ст.а.г + ·F_с1 + ·F_с2 – произведение коэффициента тепловой эффективности на суммарную поверхность, ограничивающую зону активного горения /1/;

F_с1 = F_с2 = F_т = 58,24 м² – сечения топочной камеры, ограничивающие зону активного горения сверху и снизу;

F_ст.а.г = 2·(a_т + b_т)·h_а.г – площадь поверхности экранных труб, ограничивающих зону активного горения;

Здесь за нижнюю границу зоны принимается верхняя плоскость холодной воронки (не ниже 2 м от нижней кромки амбразуры нижнего яруса горелок), следовательно, высота активного горения для расчета температуры газов в конце зоны определяется следующим образом:

F_ст.а.г = 2·(a_т + b_т)·h_а.г = 2·(8 + 7,28)· 7,546 = 230,6 м²;

ψ·F = ψ_ср·F_ст.а.г + ·F_с1 + ·F_с2 = 0,436·230,6 + 0,2·58,24 + 0,436·58,24 = 137,58 м²;

= + 273 = 1500 + 273 = 1773 К – предварительная абсолютная температура продуктов сгорания на выходе из зоны активного горения;

1510,4 °С.

Полученная температура = 1510,4 °С превышает допустимой температуры газов на выходе из зоны активного горения =1500 °С на 10,4 °С, что допускается /1/.

Также эта температура выше 1350 °С, что необходимо с точки зрения устойчивости процесса горения при снижении нагрузки котла до 0,5 от номинальной и ниже /1/.

Схема зоны активного горения представлена рисунке 5

 

 

Рисунок 5 – Зона активного горения