ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО и его основные характеристики.

Для отопительных котельных малой мощности требуется высококалорийное сортированное твёрдое топливо: сортированный каменный уголь, антрацит и брикеты.

Из-за отсутствия сортированного каменного угля и антрацита в отопительных котельных используется рядовой уголь.

Сжигание низкосортных несортированных углей, снижает теплотехнические показатели котлов, приводит к пережогу топлива, усложняет эксплуатацию котельных и загрязняет атмосферу.

Наименование марок углей и их обозначение
Длиннопламенный Д
Газовый Г
Газовый жирный ГЖ
Жирный Ж
Коксовый жирный КЖ
Коксовый К
Отощённый спекающийся ОС
Тощий Т
Слабоспекающийся СС
Полуантрацит ПА
Антрацит А
Бурый Б (Б1 с содержанием рабочей влаги более 40 %
Б2 – от 30 до 40 %
Б3 – менее 30 %, с Qs менее 23940 кДж/кг,
где Qs – высшая теплота сгорания влажного беззольного топлива)

  1. Теплота сгорания. Теплотой сгорания называется количество теплоты, выделяемой при полном сжигании 1 кг или 1 м³ топлива, - Q (ккал/кг или ккал/м³).

    Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания.

    Первую получают при полном сгорании топлива и конденсации водяных паров, образовавшихся при горении, с отдачей теплоты, израсходованной на их испарение (скрытая теплота испарения).

    В практических условиях водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, уходят в атмосферу вместе с другими компонентами. Их скрытая теплота парообразования не используется.

    В теплотехнических расчётах применяют низшую теплоту сгорания топлива Qн, которая приводится без учёта теплоты конденсации водяных паров.

  2. Летучие вещества и кокс. При нагреве твёрдое топливо распадается на газообразные летучие вещества и твёрдый нелетучий остаток (кокс). В коксе практически остаются углерод и зола.

    При сжигании топлива с большим выходом летучих газов необходимо иметь большой объём топки, который позволил бы сжигать в ней газообразные горючие вещества.

    Наоборот, при сжигании твёрдого топлива с малым выходом летучих газов (антрацит) возможно иметь топку меньшего объёма, но с развитой площадью поверхности колосниковой решётки, так как основное сгорание топлива будет происходить в слое топлива.

  3. Минеральные примеси (негорючие вещества), находящиеся в топливе, при его сжигании образуют золу в виде сыпучей массы или сплавленных кусков (шлака). Оседая на поверхности нагрева котла, зола снижает теплопередачу от газов к стенке котла, уменьшает его КПД.

    Большое значение при эксплуатации котлов имеет температура плавкости золы угля.

    Легкоплавкая зола вызывает зашлаковывание котлов. Наиболее легкоплавкая зола у торфа, донецких каменных углей и антрацитов. Зола древесного топлива не сплавляется в шлак.

УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО

Для сравнения запасов разных видов топлива при определении норм его расхода, планировании потребности топлива и других расчётах пользуются понятием «условное топливо».

За условное принято такое топливо, низшая теплота сгорания рабочей массы которого:

Qн = 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В КОТЛАХ

Горение топлива – быстрое химическое соединение горючих элементов топлива с кислородом воздуха, происходящее при высокой температуре с выделением тепла.

При недостатке воздуха происходит неполное сгорание углерода, часть его образует оксид углерода, при этом происходят значительные потери тепла.

Потери теплоты с отходящими газами тем больше, чем выше их температура и больше избыточного воздуха, не участвующего в процессе горения топлива, проходит через топку котла.

При большом избытке воздуха произойдут значительные потери тепла с уходящими газами.

При неправильном обслуживании топки появляется неполное сгорание топлива, когда химическая энергия топлива не преобразуется полностью в теплоту; а частично остаётся в уходящих газах и выбрасывается через дымовую трубу в атмосферу.

Оксид углерода, продукт неполного сгорания топлива, является одним из загрязнителей воздуха - потеря от химической неполноты сгорания.

Другим загрязнителем атмосферы являются вынесенные вместе с газами мелкие частицы несгоревшего топлива (до 80 %) - потери от механической неполноты сгорания, а также унос золы и сажи.

Причиной уноса несгоревшего топлива малой мощности является сжигание в них рядовых топлив, имеющих большое количество мелочи.

Расчёт процесса горения топлива сводится к определению количества воздуха, необходимого для горения, а также состава и количества образующихся газообразных продуктов.

В реальных условиях для обеспечения полного сгорания топлива приходится подавать значительно большее количество воздуха, чем теоретически необходимо. Это объясняется главным образом недостаточно тщательным смешиванием топлива с воздухом, из-за чего часть воздуха не участвует в горении и удаляется из топки вместе с продуктами сгорания.

Отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение топлива, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха всегда больше единицы и зависит от сорта сжигаемого топлива, способа его сжигания и конструктивных особенностей топочных устройств.

При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент имеет меньшие значения, при сжигании твёрдого топлива – большие. При движении дымовых газов по газовому тракту коэффициент изменяется от минимального значения ( в топке ) до максимального ( у основания дымовой трубы ), что обусловлено подсосом воздуха через неплотности обмуровки и разрежением в газоходах котла.

В связи с этим различаются коэффициенты избытка воздуха в топке, за котлом, перед дымовой трубой и т.п.

ЗНАЧЕНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ТОПЛИВА

В отопительных котлах твёрдое топливо сжигают в слое в основном на ручных колосниковых решётках с ручным обслуживанием. Основными элементами топки для твёрдого топлива в отопительных котлах с ручным обслуживанием является колосниковая решётка, поддерживающая слой кускового топлива, через который проходит необходимый для горения воздух, и топочное пространство, в котором сгорают горючие летучие вещества. Слой топлива на колосниковой решётке при ручной заброске периодически меняется, достигая максимальных размеров при загрузке свежей порции и уменьшаясь по мере выгорания топлива до новой загрузки. При постоянной тяге количество воздуха, проходящего в топку через слой топлива в период между загрузками, постоянно повышается вследствие прогорания слоя и уменьшения его сопротивления.

Из поступившего в топку воздуха часть используется на сгорание топлива в слое, часть – на сгорание летучих веществ в топочном пространстве и какое-то количество воздуха остаётся неиспользованным.

Загруженное на горячий слой свежее топливо сначала подсыхает, а потом начинается процесс горения. В этот период из-за недостатка воздуха может возникнуть неполнота сгорания топлива, которая исчезает по мере затухания процесса коксования заброшенной порции топлива.

К концу периода между загрузками топлива в тонком слое горит главным образом кокс. Обычно этот период горения характеризуется полным сгоранием топлива с большим избытком воздуха.

Таким образом, в первые моменты после загрузки топлива на колосниковую решётку его сгорание происходит с химической неполнотой, а в конце процесса сгорания – с повышенными избытками воздуха и следовательно, с увеличенной потерей теплоты с уходящими газами.

Поэтому правильно выбранная толщина слоя топлива обеспечивает минимальную сумму потерь теплоты от химической неполноты сгорания и с уходящими газами при минимальном избытке воздуха.

Эти условия лучше всего можно создать при более частой загрузке топлива мелкими порциями.

Это обстоятельство следует подчеркнуть, так как машинисты часто его игнорируют, и в результате происходит загрязнение атмосферы оксидом углерода. Периоды между загрузкой топлива, например антрацита, должны составлять 10 – 15 мин, для остальных ещё меньше.

Правильная толщина слоя, колеблется для разных видов и сортов топлива в следующих пределах, (мм):

Ручные топки
Крупные неколотые осиновые дрова Wt = 40 % 1400
Крупные неколотые берёзовые дрова Wt = 40 % 1000
Торф кусковой Wt = 45 – 50 % 900
Дрова берёзовые колотые воздушные 500
Антрацит, бурый и каменный уголь:
- крупный (размер куска более 30мм)
- мелкий (размер куска 0 – 20 мм)

до 200
до 50
Рядовой уголь 70 - 80
С шурующей планкой
Каменный уголь
в начальной и конечной частях топки
в средней части топки		 250 – 300
200 – 250

РЕГУЛИРОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВА СЖИГАЕМОГО ТОПЛИВА и ПРОЦЕССА его СЖИГАНИЯ

Количество сжигаемого топлива в топке регулируется количеством подаваемого в неё воздуха.

Для твёрдого топлива, например, усиливая дутьё воздуха под решётку и тягу, можно тем самым ввести больше воздуха в топку. Кислород воздуха, проходя по слою топлива и вступая в реакцию, распределяется на большее количество струек и увеличивает скорость горения.

Забрасывая в топку больше топлива, получаем больше теплоты. Однако необходимую толщину слоя топлива следует держать в установленных пределах, чтобы избежать неполноты горения или большого избытка воздуха.

Тягу регулируют так, чтобы в топке (в верхней части загрузочной дверки) устанавливалось разрежение не более 20 – 30 Па (2 – 3 мм вод.ст.).

Для преодоления сопротивления колосниковой решётки, слоя топлива и его шлака служит вентиляторное дутьё.

Причины, вызывающие прохождение через топку чрезмерно большого количества воздуха:

  • сильная тяга в дымовой трубе;
  • чрезмерно большое поступление воздуха из дутьевого воздуховода.

При наличии избытка воздуха пламя получается прозрачное, светлое, а дым бесцветный.

Для уменьшения количества избыточного воздуха его подачу в топку необходимо регулировать в зависимости от процесса горения. Подсушенное и нагретое топливо выделяет горючие газы, которые в топочном пространстве перемешиваются с воздухом и сгорают, образуя пламя. В этот период в топку надо подавать больше воздуха, чтобы горючие газы успели сгореть. Для этого поднимают шибер за котлом, полностью открывают поддувальную и приоткрывают зольную дверку или полностью открывают дроссель – клапан на дутьевом воздуховоде.

По мере того как количество выделяющихся горючих газов снижается, уменьшают поступление воздуха в котёл.

  • неплотности в гарнитуре котлов и её притворах;
  • слишком тонкий слой топлива или прогары в этом слое.

При прогарах пламя на прогоревших участках имеет ослепительно белый цвет.

При горении топлива на решётке воздух надо подавать в таком количестве, чтобы цвет пламени получался соломенно-золотистый, а дым, выходящий из трубы, - светло-серого цвета.

Потери теплоты от химической неполноты горения:

если топливо сжигают при недостаточном количестве воздуха или оно расположено по решётке неровным слоем.

При недостатке воздуха образуется угарный газ (окись углерода), при котором часть содержащегося тепла не используется в котле, а уходит с дымовыми газами в трубу. При неравномерном расположении топлива на решётке в тонкие участки слоя воздух поступает в избытке, а в утолщённые участки недостаточно.

В результате получается одновременно двойная потеря теплоты с дымовыми газами через тонкий слой топлива и от неполноты сгорания топлива в тонком слое.

Приток воздуха в котёл уменьшается, если на решётке лежит чрезмерно толстый слой шлака и топлива.

Необходимо забрасывать топливо в топку часто и маленькими порциями; при этом температура в топке не будет резко снижаться, а топливо быстро разгорится, так как от малых порций топлива выделяется немного горючих летучих веществ и они успевают сгорать в топочном пространстве.

По мере сгорания загруженной в топку порции топлива необходимо уменьшить количество воздуха, поступающего в топку, а после загрузки новой порции, когда из неё начинается бурное выделение газов, поступление воздуха в топку увеличивают, полностью открывая шибер за котлом.

Если есть признаки неполного сгорания топлива, то необходимо временно усилить дутьё и тягу или дать выгореть слою топлива, находящемуся в топке, а затем поддерживать нормальный режим его сжигания.

Визуально химическая неполнота сгорания определяется по степени прозрачности дыма, а избыток воздуха – по форме и цвету факела.

  • при полном сгорании твёрдого топлива и малом избытке воздуха пламя получается прозрачным,соломенно – жёлтого цвета.
  • при неполном сгорании пламя, оставаясь длинным, краснеет и в нём появляются тёмные прослойки. Признаком неполноты сгорания топлива является сине-красный цвет пламени и чёрный цвет дыма.
  • при большом избытке воздуха пламя, не изменяя своей прозрачности, становится коротким.

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива:

  • при частичном провале топлива через зазоры колосниковой решётки;
  • уносе мелкого топлива в газоходы котла, борова, а также в дымовую трубу;
  • Больших размеров (до 20%) могут достигнуть потери топлива от уноса при неспекающихся углях, значительной форсировке работы топки и мелком топливе.
  • при обволакивании несгоревших кусков топлива плавящимся шлаком. Потеря в шлаке тем больше, чем выше зольность топлива и меньше выход летучих веществ;

последнее объясняется тем, что при сгорании топлива с малым выходом летучих веществ температура слоя топлива высока, шлаки плавятся и обволакивают со всех сторон кусочки топлива, тем самым прекращая его горение. Если на решётке скопились шлаки: горение топлива ухудшается, и поэтому их необходимо взламывать (но их следует не выбрасывать, а перемешивать с горящим топливом).

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ТВЁРДОГО ТОПЛИВА

В соответствии с ГОСТом на угли для коммунально – бытовых нужд зольность сухой массы углей колеблется:

  • для каменных углей 14 – 38 %;
  • бурых углей 10 – 32 %;
  • антрацита до 20 %.

По размеру кусков поставляют угли следующих классов: 6 – 13, 13 – 25, 25 – 50 и 50 – 100 мм.

Из бассейнов Кузнецкого, Восточной Сибири поставляют рядовой уголь всех марок.

При сжигании рядовых, бурых, многозольных углей нельзя достичь КПД котла больше 67 – 75 %, регламентируемых ГОСТ 10617 – 83* «Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0,10 до 3,15 МВт. Общие технические условия», и обеспечить чистоту выбрасываемых в атмосферу уходящих газов.

Использование углей низкого качества приводит к резкому снижению КПД котлов и как следствие, к перерасходу топлива и сооружению дополнительных котельных либо при нормированной поставке топлива к недодаче теплоты потребителям и, кроме того к загрязнению атмосферы не только продуктами неполного сгорания, но и мелкими частицами несгоревшего топлива (уносом).

Большая влажность (свыше 30 %) при высокой зольности (свыше 35 %) ухудшает топочный процесс и снижает экономичность работы котлов.

На основании анализа экспериментальных данных установлено, что для эффективного сжигания каменных углей и антрацитов в котлах предельная величина зольности сухой массы антрацитов должна быть 16 %, каменных углей – 18 %. Опыт эксплуатации котлов показывает, что максимальный размер кусков угля не должен превышать 50 мм.

Таким образом, для котлов необходимо:

  • использовать уголь по размеру кусков двух классов: 13 – 25 и 25 – 50 мм;
  • использовать угли с влажностью не выше 8 % и содержанием мелочи не более 20 %;
  • бурые угли по мере возможности заменять каменным углём и антрацитом;