Некомерческок акционерное общество

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра тепловых энергетических установок 

 

 

 

Специальные вопросы сжигания топлива 

Рабочая программа курса, методические указания и задание к выполнению

контрольной работы для студентов заочной формы обучения

специальности  050717-Теплоэнергетика

 

 

Алматы 2008

         СОСТАВИТЕЛЬ: В.П. Дубовик. Специальные вопросы сжигания топлива. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности  050717-Теплоэнергетика заочной формы обучения. – Алматы: АИЭС, 2008. – 17 с.

          Методические указания содержат программу курса, рекомендации по изучению разделов курса.

         В методических указаниях приведены также вопросы для самопроверки и контрольные задания с методическими советами по их выполнению.

 

Содержание  

Введение                                                                                                           4 

1  Основные разделы курса                                                                              4 

2  Вопросы для самопроверки                                                                         6 

3  Методические указания                                                                               10 

3.1  Методические указания по изучению курса                                            10

3.2  Методические указания к контрольной работе                                       11 

4 Контрольное задание                                                                                    11

Список литературы                                                                                         16 

        

Введение

  Курс «Специальные вопросы сжигания топлива» является профильным и включает основные закономерности и взаимосвязь процессов, происходящих в топочных камерах и горелочных устройствах, предназначенных для сжигания различных видов топлива. К ним относятся процессы превращения химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Топочные камеры котельных агрегатов одновременно являются теплообменными устройствами, в которых до 50 % тепла, выделяющегося при горении топлива, передается рабочему телу – воде и пару.

  Задачами курса являются:

1.                Изучение термодинамических основ химического равновесия реагирующих систем.

2.                Изучение кинетики химической реакции горения и теории воспламенения топлива.

3.                Изучение элементов теории турбулентных струй; основ теории движения и сепарации частиц в потоке; основных закономерностей распространения пламени в потоке.

4.                Ознакомление с особенностями кинетики горения газообразного, жидкого и твердого топлива.

5.                Рассмотрение тепловых процессов в топках, источников воспламенения и интенсивности горения топлив, а также анализ тепловосприятия по высоте топок при сжигании различных видов топлив.

6.                Изучение основных моментов организации эффективного сжигания топлив, способов организации топочных процессов с целью их интенсификации и уменьшения вредных выбросов.

   1 Основные разделы курса 

  1.1 Общие вопросы теории горения, теплового воспламенения, зажигания

  Материальный и тепловой балансы процессов горения. Адиабатное тепловое воспламенение топлива. Химическое равновесие реагирующих систем и закон действующих масс. Кинетика химических реакций горения. Гомогенное и гетерогенное горение топлив. Скорость химических реакций и зависимость скорости горения от различных факторов. Закон Аррениуса. Понятие энергии активации Е, предэкспоненциального множителя К₀, их физический смысл. Воспламенение при наличии теплоотвода. Графическое определение критических условий воспламенения. Цепные реакции. Неразветвленные цепные реакции. Разветвленные цепные реакции [ 3, гл. 4, 5, 6; 5, гл. 5; 6, гл. 15, 16, 17, 18, 19, 20].

   1.2 Основы теории турбулентных струй. Передача вещества и тепла в потоке. Влияние диффузии и теплопередачи на интенсивность протекания процессов горения. Диффузия в турбулентном потоке, основные положения. Уравнение диффузии. (3, гл. 6; 5, гл. 3, 4; 6, гл. 24;  9, гл. 4) 

  1.3 Общая характеристика процесса горения частиц твердого топлива. Основы теории гетерогенного горения. Стадийность горения твердого топлива. Горение углеродной частицы, механизм выгорания углерода. Области протекания гетерогенной реакции горения углеродной частицы. Параметры, влияющие на скорость выгорания угольной частицы в диффузионной, промежуточной и кинетической областях горения. (3, гл. 15; 5, гл. 7, 8; 6, гл. 24; 9, гл. 4) 

  1.4 Воспламенение топливовоздушной смеси в топочной камере. Фронт горения. Структура развития свободной турбулентной струи. Прогрев поступающего в горелочное устройство топлива до температуры воспламенения. Факторы, влияющие на интенсификацию процесса воспламенения и горения топливовоздушной смеси в топке. Структура развития кольцевой закрученной струи на выходе из горелки. Параметры крутки и влияние ее на уровень турбулентности в факеле и длину зоны рециркуляции топочных газов [7, гл. 6; 3, гл. 15, 16; 5, гл. 2, 3, 7, 9; 9, гл. 3, 4]. 

  1.5 Интенсивность выгорания топлива по высоте топочной камеры. Влияние времени пребывания частиц топлива при сжигании пылевидного топлива на недожог топлива q₄, (%). Определение температуры газов на выходе из топки n", (⁰С) [5, гл. 8, 9; 9, гл. 4, 5, 7]. 

  1.6 Особенности сжигания пылевидного топлива. Влияние качества топлива на топочный процесс (А^р, W^р, V^г, R₉₀). Стадийность горения пылеугольного факела. Влияние содержания летучих топлива V^г, (%) на воспламенение пылеугольного факела. Условия стабилизации и устойчивости горения низкореакционных углей типа донецкого АШ (V^г < 5%) [7, гл. 6; 3, гл. 15, 16, 17; 6, гл. 25; 9, гл. 4]. 

  1.7 Технологические схемы сжигания пылевидных топлив. Классификация и основные теплотехнические характеристики камерных топок. Эффективность использования теплоты топлива Q (кДж/кг). Токсичные вещества в дымовых газах и меры защиты внешней среды. Предельно допустимые концентрации (ПДК и ПДВ) NO_x и SO₂ в дымовых газах и основные требования к сжиганию топлив в топке котельных агрегатов в зависимости от вида топлива, конструкции горелочных и топочных устройств и методов сжигания [7, гл. 4; 3, гл. 15, 16, 17; 6, гл. 4, 5, 25; 9, гл. 5, 6, 7]. 

  1.8 Особенности сжигания высокозольных топлив в топках парогенераторов. Меры предотвращения шлакования поверхностей нагрева котельного агрегата. Топки с жидким шлакоудалением, область применения. Конструктивные и режимные особенности топок с жидким шлакоудалением. Основные параметры топочного процесса, влияющие на надежность работы топок с жидким шлакоудалением. Конструкции циклонных топок [7, гл. 6, 7, 14, 23; 10, гл. 21; 3, гл. 15, 16, 17; 6, гл. 13; 9, гл. 7]. 

  1.9 Основные требования к конструкции горелочных устройств. Щелевые и вихревые горелочные устройства. Область применения, основные конструктивные параметры, требования к размещению и компоновке горелочных устройств в топочной камере парогенераторов [7, гл. 6, 8, 24; 10, гл. 3; 6, гл. 9, 10; 9, гл. 7]. 

  1.10 Топки с кипящим слоем (КС), особенности горения твердого топлива в КС, основные характеристики топок с КС. Преимущества и недостатки топок с КС. Перспективы развития и применения топок с КС [7, гл. 24; 3, гл. 17; 5, гл. 2, 10]. 

  1.11 Влияние начальных режимных параметров пылевоздушной смеси на процесс воспламенения и горения пылеугольного факела. Влияние тонкости помола пыли R₉₀, %, степени подогрева аэросмеси t_аэр, ⁰С, и вторичного воздуха t_вв, ⁰С, соотношения первичного и вторичного воздуха G₁/G₂ на режим горения пылеугольного факела в топке. Методы интенсификации горения пылеугольного факела: а) предварительный подогрев угольной пыли, влияние степени подогрева на образование оксидов азота NO_x в факеле; б) метод термохимической подготовки топлива (ТХП) в объеме горелки с использованием для этих целей низкотемпературной плазмы. Перспективы использования метода ТХП с целью замены мазута (газа) для растопки и подсветки пылеугольного факела [7, гл. 6; 10, гл. 3, 21; 3, гл. 16, 17;]. 

  1.12 Особенности сжигания газообразного и жидкого топлива в топках энергетических котлов. Требования к конструкции топочных камер, сжигающих мазут и газообразное топливо. Принципиальные требования к конструкции газомазутных горелок и мазутных форсунок для повышения эффективности сжигания газа и мазута. Правила техники безопасности при сжигании газа и мазута [7, гл. 7, 20, 24; 3, гл. 9, 10, 11; 5, гл. 6, 11; 6, гл. 21, 23; 9, гл. 8]. 

  2 Вопросы для самопроверки 

1        Какие проблемы возникают при сжигании органического топлива (в частности Канско–Ачинского и Экибастузского месторождений)?

2    Для чего нужна регенерация низкопотенциальной теплоты газов?

3        С какой целью требуется обеспечение равномерного распределения тепловых потоков в топочной камере по периметру и высоте?

4        Зачем стремятся повысить тепловую эффективность работы топки?

5        От каких выбросов нужно защищать воздушный бассейн и местность при работе ТЭС?

6        Что определяет сжигание топлива в топочной камере?

7        Что влияет на скорость реакций горения?

8        Как влияют на горение содержание в топливе влаги, серы и азота, минеральных примесей?

9        Чем различаются гомогенная и гетерогенная системы горючей смеси?

10    Что такое химическая обратимость реакций?

11     От чего зависит химическое равновесие реакций?

12     Закон действующих масс, на какой основе он выведен?

13     Что такое константа равновесия и как ее можно выразить?

14     Зависимость константы равновесия от температуры и давления.

15     Зависимость скорости химических реакций от температуры.

16     Как зависит скорость химической реакции от давления?

17     Зависимость скорости химической реакции от состава газовой смеси.

18     Как получается наибольшая скорость реагирования и как она связана со скоростью реакций?

19     Какие реакции называются цепными?

20     Чем отличаются неразветвленные и разветвленные цепные реакции?

21     Что называется цепным воспламенением?

22     Схема развития цепной реакции водорода

23     В какой смеси скорость реакции горения максимальна?

24     Рассказать о системе струй, вытекающих из горелок в топочное пространство.

25     Отличительные особенности свободных, затопленных, спутных и встречных струй.

26     Чем отличаются изотермические и неизотермические струи?

27     Рассказать схему затопленной изотермической струи.

28         За счет чего происходит расширение турбулентной струи?

29         Как расширяется спутная струя?

30         Рассказать об изотермическом и неизотермическом истечении струй.

31         Охарактеризовать истечение струй из прямоточной горелки.

32         Положительные и отрицательные характеристики вихревой горелки.

33         Чем отличается система струй от одиночной струи?

34         От чего зависит глубина проникновения струй?

35         Что такое гидродинамический параметр, от чего он зависит?

36         Как зависит от гидродинамического параметра интенсивность смешения струй с потоком?

37         Что представляет формпараметр и его воздействие на смешение?

38         В чем выражается значение коэффициента рециркуляции газов на условия шлакования?

39         Как определяется качество смешения сносимых струй?

40         В чем заключается защита пристенных струй?

41         Определить эффективность защитных свойств газовой завесы.

42         Как определить зону , в которой развивается завеса защитной струи?

43         Что оказывает решающее влияние на развитие пристенных струй?

44         Как рассчитывается пристенная струя в прямоточном потоке?

45         В каких пределах изменяется коэффициент пристенной рециркуляции?

46         Где наблюдается в потоках интенсивное шлакование и от чего оно происходит?

47         Каким критерием характеризуется связь между теплоотдачей от поверхности частицы и нестационарной теплопроводностью внутри нее?

48         От чего зависит коэффициент теплопроводности золы?

49         Какие бывают способы воспламенения горючих смесей?

50         Что такое самовоспламенение и вынужденное воспламенение?

51         Как выражается зависимость тепловыделения от температуры горючей смеси?

52         В какой зависимости находятся теплопотери от температуры реагирующей смеси и окружающей среды?

53         Что значит устойчивость нижнего и верхнего режимов разогрева горючей смеси?

54         Как влияет температура окружающей среды на самопрогрессирующий разогрев смеси, приводящий к самовоспламенению?

55         Что принимают в стационарной тепловой теории самовоспламенения за Т_к?

56         Что предшествует самовоспламенению, объяснить значение энергии активации?

57         От чего зависит период индукции, т. е. время для развития процесса, приводящего к самовоспламенению?

58         Какие основные характеристики горения газа?

59         Написать баланс количества вещества до и после горения.

60         От чего зависит скорость распространения пламени?

61         Что называют тепловой шириной фронта пламени?

62         Где протекают химические реакции в пламени?

63         Чему равна химическая ширина зоны пламени и от чего она зависит?

64         Как изображаются зависимости нормальной скорости распространения пламени от воздушных смесей природного газа и коэффициента избытка воздуха?

65         Верхний и нижний пределы распространения пламени.

66         Как зависит линейная скорость распространения пламени от давления?

67         Как различают горение горючей смеси в зависимости от характера движения?

68         Как распределяется скорость горючей смеси в ламинарном потоке?

69         От чего зависит длина факела на горелке?

70         Как измеряется нормальная скорость распространения пламени (метод горелки)?

71         Что значит проскок пламени в горелку?

72         Как выражается критическое условие проскока пламени в горелку?

73         Что является основной качественной характеристикой процесса горения в топочных устройствах?

74         На чем базируется основное уравнение горения?

75         Что способствует интенсификации горения?

76         Рассмотреть структуру газового факела.

77         Что называется длиной зоны догорания, от чего она зависит?

78         Что представляет ламинарно-диффузионное горение?

79         Чему равна длина ламинарного диффузионного факела, от чего она зависит?

80         Как происходит подача горючего газа и воздуха при турбулентном диффузионном сжигании?

81         Как можно обеспечить и усилить зажигание диффузионного турбулентного факела при сжигании газов?

82         В чем заключается искусственная стабилизация пламени?

83         Чему равно тепловое напряжение объема факела (объяснить инертный объем и микрофакельное горение)?

84         Условия интенсификации сжигания газов.

85         В какой фазе протекает горение жидкого топлива?

86         Что называется температурой вспышки?

87         От чего зависит интенсивность излучения факела?

88         Чем отличается и в чем аналогия горения капли жидкого топлива и горения со свободной поверхности?

89         Чему пропорциональна продолжительность выгорания капли?

90         Чем различаются между собой газомазутные горелки?

91         Как располагаются газомазутные горелки на котле?

92         Газомазутные топки, какое жидкое топливо используют в основном энергетики и почему?

93         Перечислить основные неприятности, возникающие при сжигании высокосернистых мазутов.

94         Перечислить стадии подготовки к сжиганию твердого топлива.

95         Рассказать о процессе горения твердого топлива.

96         Как выражается удельная поверхностная скорость горения углерода?

97         Чем отличается горение сферической частицы твердого и жидкого топлива?

98         Почему область протекания гетерогенного горения называется кинетической?

99         Какими тремя химическими процессами можно охарактеризовать горение углерода?

100     Как сжигается твердое топливо в энергетических котлах (камерные топки, их конструктивное оформление и работа)

101     Как происходит сжигание угольной пыли в прямоточном факеле (поля температур, скоростей)?

102     Положительные и отрицательные стороны вихревых горелок, принцип действия, регулирования.

103     Интенсивность выгорания топлива в ядре факела, что оказывает влияние на воспламенение и выгорание?

104     Метод сжигания топлива в кипящем слое, принципы работы топок с кипящим слоем.

105     Чем обусловлено принятие определенной технологической схемы и топочного устройства сжигания твердого топлива на ТЭС?

106     Что входит в технологические схемы сжигания твердого топлива?

107     Как влияет минеральная часть топлива на топочный процесс?

108     В чем заключаются особенности сжигания высокореакционных и сильношлакующих твердых топлив?

109     Как должно быть подготовлено к сжиганию низкореакционное топливо?

110     Как обеспечить экологически чистое сжигание топлива (варианты, способы)?

111     Какие способы очистки от токсичных газов существуют? 

         3 Методические указания

         3.1 Методические указания по изучению курса 

         При изучении курса «Специальные вопросы сжигания топлива» (СВСТ) следует руководствоваться рабочей программой. Отдельные основопологающие темы кратко рассматриваются на аудиторных (лекционных, практических и лабораторных) занятиях, остальной материал осваивается студентами самостоятельно по рекомендуемому списку литературы в течении всего учебного года и при выполнении контрольной работы.

         Наиболее важные аспекты каждого из разделов акцентируются контрольными вопросами.

         Для планомерного введения студента в курс современных знаний по вопросам сжигания топлива и совершенствования топочных устройств рекомендуется изучать материал именно в той последовательности, которая приведена в программе курса, так как часто предыдущие темы являются ключом к пониманию последующих.

         Изучая курс, необходимо ясно и четко представить себе физический смысл различных понятий, встречающихся в курсе, например: энергия активации, теоретическая температура горения, коэффициент избытка воздуха, термическая диссоциация и т.д. Студент должен уметь грамотно анализировать влияние отдельных факторов на протекание процессов горения и на конструктивные характеристики горелочных и топочных устройств. Нужно хорошо представлять  себе порядок тех или иных величин, характеризующих процессы горения в топочных устройствах.

         В случае затруднений при изучении курса студенту следует обратиться за консультацией на кафедру. 

         3.2 Методические указания к контрольной работе 

         Контрольная работа имеет своей целью проверку степении усвоения теоретического материала, закрепление в памяти студента методик отдельных расчетов путем решения задач. В контрольной работе необходимо письменно ответить на вопросы для самопроверки и решить задачи.

         Отвечая на вопросы контрольной работы, особое внимание следует уделять обеспечению надежной и экономичной работы оборудования. Ответы следует иллюстрировать схемами, эскизами, графиками функциональных зависимостей, необходимыми ссылками на используемую литературу.

         Вариант выполняемой контрольной работы выбирается по первой букве фамилии студента и по двум последним цифрам шифра зачетной книжки. Работы, не соответствующие своему варианту, не рассматриваются. 

         4 Контрольное задание 

         1. Ответить письменно на вопросы для самопроверки согласно таблице 4.1. 

Т а б л и ц а  4.1 

Последняя цифра шифра	Номера вопросов	Предпослед-няя цифра шифра	Номера вопросов	Первая буква фамилии	Номера вопросов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0	1,29,60 3,30,61 4,31,62 5,32,63 6,33,64 110,34,65 100,35,66 104,36,67 105,37,68 106,38,69	1 2 3 4 5 6 7 8 9 0	7,40,70 8,41,71 9,42,72 10,43,75 11,44,76 12,45,77 13,46,83 14,47,85 15,48,86 16,49,87	В,Г,Я Б,Е,4 К Ж,З,И,Л М,О Н,П Р,Т,У,Ф С Х,Ц,Ш,Щ,Э,Ю А,Д	17,51,90 18,52,91 19,53,92 20,54,93 23,55,94 24,56,95 25,57,96 26,58,97 27,101,99 28,107,100

          2. Решить задачи 1 и 2.

         Задача 1 

         Определить время прогрева сухой частицы угля диаметром _м в потоке дымовых газов с температурой Тг, К, если начальная температура частицы равна Т. Плотность частицы .

         При решении задачи воспользоваться таблицей 4.2. 

Т а б л и ц а  4.2 

Первая буква фамилии	Топливо, уголь	Последняя цифра шифра	Тг,К
В,Г,Я   Б,Е,4   К   Ж,З,И,Л   М,О   Н,П   Р,Т,У,Ф   С   Х,Ц,Ш,Щ,Э,Ю   А,Д	Кузнецкий, марки Д Карагандинский, марки К Экибастузский марки СС Ленгерский, марки БЗ Кузнецкий, марки Т Ангренский марки Б2 Канско-Ачинс-кий, марки Б2 Куучекинский, марки СС Подмосковный, марки Б2 Холбольджинс-кий, марки Б3	1   2   3   4   5   6   7   8   9   0	1700   1600   1500   1300   1600   1500   1400   1500   1300   1200	0,562   0,495   0,461   0,4   0,495   0,461   0,431   0,461   0,4   0,369

          Порядок расчета 

         1. Учитывая, что частица невелика, принимается Nu=2. 

         2. Полным временем прогрева частицы является время, за которое она примет от потока газов 95% максимально-возможного количества тепла  

                                               Q / Q_max = 0,95. 

         3. Удельная теплоемкость частицы 

                                               C_ч = C_чо+0,000209 T_ч 

         где              С_чо = 0,922 кДж/ (кг К) – для АШ и Т,

                            С_чо = 1,09 кДж/ (кг К) – для каменных углей,

                            С_чо = 1,13 кДж/ (кг К) – для бурых углей. 

         По формуле        

определяется полное время прогрева частицы (считаем частицу сухой, так как предпологаем, что влага была удалена из топлива в процессе размола). 

         Задача 2 

         Рассчитать узел двухстадийного сжигания твердого топлива для котла П-57  энергоблока 500 МВт, паропроизводительностью  1650/1364 т/ч (458/379 кг/с) с температурой перегретого пара 545/545⁰ С, Т - образной компоновки. Размеры топки в плане А х В = 21,84 х 9,84 м² (по осям экранных труб). Количество вихревых горелок – 24 (по 12 встречно на боковых стенах в 2 яруса). КПД котла Брутто - 92%. Топливо принимается из задачи №1, с характеристиками по нормативному методу. 

         Порядок расчета  

         1. Расход топлива

                                               . 

         2. Объем воздуха на 1 кг твердого топлива 

V 

         3. Объем продуктов сгорания на 1 кг твердого топлива 

 ,               нм³/кг,

 ,

,

. 

         4. Объемный расход продуктов сгорания при НФУ 

                            ,                               нм³/с. 

         5. То же действительный (при ) 

                            ,                    м³/с. 

         где - температура продуктов сгорания в топке в зоне расположения горелок.  

         6. Скорость потока продуктов сгорания в зоне ввода струй                           

                   ,                                   м/с. 

         7. Массовый расход продуктов сгорания через поперечное сечение топки 

                    

         8. Доля третичного воздуха, подаваемого в сопла 

                           

(задаемся ). 

         9. Коэффициент избытка воздуха в горелках 

                           . 

         10. То же на выходе из топки 

                            . 

         11. Объем воздуха в соплах третичного дутья 

                            ,             нм³/кг. 

         12. То же расход 

                                      ,                  нм³с. 

                           ,                   м³/с. 

         где  температура горячего воздуха, ⁰ С

         (из характеристик котла = 350⁰ С). 

         13. Количество сопл третичного дутья (выбирается по возможности равным количеству горелок в одном ярусе) . 

         14. Скорость истечения воздушных струй в топку котла 

                             

         где: h₃ и  a₃ – высота и ширина сопла третичного дутья, причем рекомендуется соотношение  . 

         W_bc= 30-60 м/с. – рекомендуемый диапазон значений скорости.        

         15. Высота сопла

                             

соответственно ширина сопла а₃ = 0,5 h₃. 

         16. Расстояние между осями воздушных сопл и расположенных под ними горелок верхнего яруса (Дг = 1,0 м) определяется по формуле 

                            H=H^/+0,5(D_r+h₃),                 м 

         где H^/ - расстояние, на которое удаляются сопла для подачи воздуха от горелок, определяется в зависимости от реакционности углей по формуле 

                            ,                       м. 

         17. Эффективность применения ступенчатого сжигания для прямоточных горелок. 

                               , %

для вихревых горелок 

                             , % 

эти формулы уже преобразованы для условий (). 

         18. Прирост тепла с механическим недожогом определяется по формуле 

                               , % . 

         19. Рост температуры газов на выходе из топки 

                            , К (⁰ С).

 

Список литературы 

         1. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и пеарогенераторы. – Москва – Ижевск: НИЦ: «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. - 592 с.

         2. Хзмалян Д.М. Теория топочных процессов. –М.: Энергоатомиздат, 1990.- 352 с.

         3. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. – М.: Энергия, 1976.- 488 с.

         4. Абрамович Г.Н. и др. Теория турбулентных струй – М.: Наука,1984.

         5. Основы практической теории горения /Под. ред. В.В. Померанцева/. – Л.: Энергоатомиздат, 1986.

         6. Кнорре Г.Ф., Арефьев К.М., Блох А.Г. и др. Теория топочных процессов. – М. – Л.: Энергия, 1966.

         7. Стырикович М.А., Катковская К.Я., Серов Е.П. Парогенераторы электростанций. – М. – Л.: Энергия, 1966. – 384 с.

         8. Иванов Ю. В. Газогорелочные устройства. – М: Недра, 1972. - 276 с.

         9. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций. – М.: Энергоиздат, 1981. – 240 с.

         10. Ковалев А.П. Парогенераторы – М.-Л.: Энергия, 1966. – 448 с.