Котлы. Конструкции различных видов котлов и горение топлива в них.

Для эффективного и безопасного сжигания различных видов топлива надо правильно выбирать соответствующие котлы. Поэтому ниже показан процесс горения топлива в котлах различных конструкций.

1. Котлы для сжигания твердого топлива и горение в них

Большинство твердотопливных котлов могут работать на нескольких видах топлива - буром угле, антраците, коксе, дровах, топливных брикетах, торфе и т. д. (рис. 16). Калорийность разных видов топлива существенно отличается, поэтому мощность котла и время работы от одной загрузки на разных видах топлива будет различной.

Рис. 16. Различные виды твердого топлива для котлов

Покупатель, приобретая котел, часто думает, что мощность котла будет одинаковой, независимо от вида сжигаемого топлива. В действительности же падение мощности при сжигании менее калорийного топлива может достигать 25-30% (при соблюдении допустимой влажности топлива). При работе котла на топливе влажностью 30-40% потеря мощности будет еще больше.

Производители указывают, какое топливо необходимо использовать как основное, а какое топливо можно использовать как дополнительное. Желательно использовать основной вид топлива, на нем котел может работать продолжительное время без вреда для него.

Модельный ряд твердотопливных котлов представлен двумя видами котлов: изготовленными из чугуна или стали. Однозначного ответа, какой материал лучше подходит для твердотопливного котла (чугун или сталь), нет.

Производители специализируются как на чугунных, так и на стальных котлах. При выборе твердотопливного котла в первую очередь необходимо учитывать основные характеристики и задачи, с которыми должен справиться котел: мощность, вид топлива, объем камеры загрузки, длительность горения, экономичность и безопасность, а также цену. Понимание особенностей материала твердотопливного котла необходимы для правильной его эксплуатации и обслуживания.

Чугунный котел представляет собой секционную конструкцию. Каждая секция может быть отделена друг от друга. Разборная конструкция удобнее при транспортировке, монтаже или обслуживании котла в случае его поломки или разгерметизации (рис. 17).

Рис. 17. Устройство и основные элементы чугунного котла

Чугун в процессе эксплуатации покрывается сухой ржавчиной, представляющей собой пленку оксида железа (это так называемая химическая коррозия). Как правило, сухая ржавчина не прогрессирует.

Влажной коррозии чугун подвергается значительно медленнее, чем сталь. Чугунные теплообменники можно реже чистить - их КПД, даже из-за появления нагара в процессе эксплуатации, снижается меньше.

Небольшим недостатком чугунного теплообменника является возможность термического удара: если в неостывший чугунный теплообменник попадет холодная вода, он может треснуть, поэтому следует избегать значительной разницы температур между подающей и обратной линиями. Тепловая инерционность чугунных котлов выше, они долго нагреваются, но с другой стороны, и медленнее остывают.

Стальной котел представляет собой цельный моноблок, который собирается и сваривается в заводских условиях.

Котлы, изготовленные из стали, в меньшей степени подвержены разрушению от резкой смены температуры. Сталь эластичнее чугуна и без проблем переносит разницу температур, даже если подпитка котла холодной водой осуществляется в обратную линию. Способность стали легко переносить изменение температуры позволяет твердотопливным котлам со стальным теплообменником более широко использовать автоматику котла. Стальные котлы реагируют быстрее чугунных котлов, они быстрее остывают и быстрее нагреваются.

Однако не стоит забывать, что при больших и частых перепадах температуры у стали возможно появление «усталостных зон» и, как следствие, трещин в местах, ослабленных сваркой. Если стальной котел проржавел или поврежден отложениями солей жесткости, то ремонт, скорее всего, будет просто невозможен - получить сварку заводского качества в домашних условиях практически нереально. Фактически прогоревший стальной котел придется выбрасывать, тогда как у чугунного котла поврежденную секцию мастер просто заменит.

Традиционные твердотопливные котлы (рис. 18) по своей конструкции напоминают обычную печь с окном для подачи топлива, топкой и дымоходом. Топливом для традиционного твердотопливного котла может послужить как уголь, так и дерево. Основным элементом традиционного твердотопливного котла является теплообменник, который обеспечивает передачу теплоносителю тепловой энергии.

Очевидным плюсом традиционного твердотопливного котла малой мощности, пригодного для индивидуального теплоснабжения, является отсутствие электронных плат, автоматики и всевозможных систем управления, которые в первую очередь выходят из строя. Единственное устройство автоматизации - регулятор температуры, работающий по механическому принципу, поэтому традиционный твердотопливный котел является не только достаточно универсальным, но и надежным, способным долгое время проработать без текущего ремонта.

Рис. 18. Традиционная конструкция твердотопливного котла

Пиролизные котлы производят тепловую энергию, сжигая твердое топливо. Пиролизный котел имеет более высокий КПД, а, следовательно, с меньшего объёма древесины можно получить больше тепловой энергии, чем при аналогичной работе традиционного котла.

Сгорание древесины проходит по трем фазам согласно принципу газообразованию при горении дров:

1 - сушка дров;

2 - дегазация (приблизительно 85 % веществ при сгорании дров превращаются в горючие газы, остальные остаются древесным углем);

3 - сгорание - при температуре свыше 600 °C горючие газы окисляются и воспламеняются и образуется горящий слой древесного угля. Приблизительно с 900 оС до 1000 оС происходит термическое разложение древесного угля и окисление углерода в нем.

Имеющийся в котле вентилятор направляет пламя вниз, делая весь процесс сгорания топлива управляемым. Кроме того, постоянная подача в зону горения кислорода гарантирует полное окисление горючих газов. Для этого, в дополнение к основному воздуху, подается предварительно подогретый вторичный воздух для постсгорания.

Котлы длительного горения (котел верхнего горения) - это разновидность твердотопливного котла, в котором подача воздуха и процесс горения ограничиваются верхней частью топливного слоя. Такая схема позволяет загружать в топку одновременно значительное количество топлива. Такие котлы характеризуются как котлы длительного горения и требуют более редкого обслуживания.

Пеллетный котел - это твердотопливный котел, который в качестве топлива использует древесные топливные гранулы. Древесные гранулы изготавливаются из древесных отходов: стружек, опилок и прочих остатков от деревообрабатывающей промышленности.

По своей сути пеллетный котел мало чем отличается от традиционного твердотопливного котла, в котором происходит сжигание древесины. Основное отличие заключается в том, что пеллетный котел кроме топочной камеры снабжен специальным бункером и автоматикой для подачи топлива (рис. 19- 20).

Рис. 19. Котел с бункером для топлива и автоматикой его подачи

Рис. 20. Котлы с бункером для топлива и автоматикой его подачи

Рис. 21. Котлы с бункером для топлива и автоматикой его подачи

Рис 22. Котел с бункером для топлива и автоматикой его подачи

Рис. 23. Схема котла и происходящих в нем процессов

Рис. 24. Устройство котельного агрегата для сжигания дров

Рис. 25. Устройство котла для сжигания дров

Рис. 26. Устройство котла для сжигания дров

Рис. 27. Устройство котла для сжигания твердого топлива

Рис 28. Устройство котлов для сжигания твердого топлива

Рис. 29. Устройство котлов для сжигания твердого топлива

Рис. 30. Устройство котлов для сжигания твердого топлива

Рис. 31. Устройство котлов для сжигания дров

Рис. 32. Устройство котла для сжигания дров

Рис. 33. Твердотопливный промышленный котел

Рис. 34. Котлы для работы на разных видах топлива (твердом, жидком, газе)

Рис. 35. Устройство котла для сжигания твердого топлива

Рис. 36. Устройство котла для сжигания дров (три вида котла)

Рис. 37. Устройство котлов длительного горения на дровах

Рис. 38. Устройство котла длительного горения на дровах (два вида)

Рис. 39. Устройство котла длительного горения на дровах (два вида)

 

2. Котлы для сжигания жидкого топлива и горение в них

Котлы на жидком топливе конструктивно несколько отличаются от котлов, работающих на твердом топливе.

Для универсальных котлов, предназначенных для сжигания жидкого топлива, поставляют специальную горелку с автоматом безопасности, без которого работа котлов не допускается.

Комбинированные котлы для отопления дома могут использовать не один, а несколько видов топлива. За эту особенность их называют также универсальными. Их основное достоинство - возможность работы при перебоях с основным видом топлива.

В зависимости от комбинаций топлива различают несколько видов котлов, которые отличаются конструкцией и типом горелки.

Особенностью жидко-топливных отопительных котлов является использование мазута, дизельного топлива или керосина в качестве топлива. Основные химические элементы, входящие в состав любого жидкого топлива для котлов отопления, - это кислород, водород, углерод и сера. За счет наличия в составе мазута негорючих минеральных веществ и влаги при сгорании жидкого топлива образуется зола.

Зольность мазутов преимущественно обусловлена содержанием кислородсодержащих соединений, содержащих катионы металлов. Некоторая доля золы образуется из взвешенных частиц (преимущественно силикаты и диоксид кремния). При переходе к более вязким мазутам содержание взвешенных частиц и коллоидных частиц повышается. Зола является крайне нежелательным компонентом продуктов сгорания мазутов, так как, забивает форсунки, ускоряет коррозию оборудования и требует периодической остановки и чистки оборудования котельных установок. Наиболее опасны соединения ванадия (в золе они представлены пятиоксидом ванадия V2O5), резко снижающие стойкость большинства сталей к высокотемпературной коррозии.

Основными свойствами котельного мазута как жидкого топлива, определяющими его применение в котельных установках, являются: содержание серы, вязкость, температура застывания, зольность, низшая теплота сгорания, плотность.

Мазут - это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000), нефтяных смол (с молекулярной массой 500-3000 и более), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8-80 мм2/с (при 100 °C), плотность 0,89-1 г/см3 (при 20 °C), температура застывания 10-40 °С, содержание серы 0,5-3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4-40,7 МДж/моль.

По количеству серы мазуты делятся на малосернистые, сернистые и высокосернистые с содержанием серы до 0,5 %, 2 % и 3,5% соответственно. Содержание серы в мазутах зависит от исходной нефти, но значительно выше, чем в ней, так как сера концентрируется преимущественно в тяжелых остаточных продуктах. При переработке высокосернистых нефтей содержание серы в мазутах может доходить до 4,3%. Сера содержится в мазутах в активной и пассивной форме. Активная сера вызывает коррозию трубопроводов, подогревателей в резервуарах, теплообменников и хвостовых поверхностей нагрева при температурах металла их стенок ниже температуры точки росы.

В мазутах с нефтеперерабатывающих заводов, как правило, лишь следы воды. Обводнение мазута бывает при перевозках и особенно при подогреве открытым паром. При подогреве мазута открытым паром содержание влаги в мазуте резко возрастает, что не только вызывает потери пара и конденсата, но и снижает качество самого мазута. В результате снижается коэффициент полезного действия КПД котлоагрегатов и надежность работы котельной. При подогреве в открытых резервуарах вода, содержащаяся в мазуте, вызывает вспенивание.

Котельный мазут бывает маловязкий и высоковязкий с большим содержанием смолистых веществ и парафина. Вязкость мазута является важным эксплуатационным фактором, определяющим способность транспортировки, слива, перекачки и сжигания его. С повышением температуры вязкость мазута уменьшается, поэтому все операции с мазутом производят с подогревом.

В зависимости от вязкости котельный мазут бывает нескольких марок, различающихся температурой застывания, которая всегда выше 0 °С. Для наиболее вязких сортов мазута температура застывания - 25 °С и выше, поэтому необходим предварительный подогрев такого мазута: при перекачке до 60-70 °С, а при сжигании до 140 °С.

Температурой вспышки мазута называют такую температуру, при которой пары его образуют с окружающим воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней огня.

При разогреве мазутов в открытых (без давления) емкостях в целях пожарной безопасности температура подогрева должна быть примерно на 10 °С ниже температуры вспышки. В закрытых емкостях (змеевиках, трубах), находящихся под давлением, топливо можно подогревать мазут значительно выше температуры его вспышки.

В настоящее время на водотрубных котлах (ДЕ, ДКВР) и водогрейных агрегатах (КВ-ГМ) устанавливаются газо-мазутные горелки различных конструкций, удовлетворяющие требованиям экономичной и безопасной эксплуатации. Главным при этом является обеспечение примерно равного качества сжигания и длины факела на обоих видах топлива (природном газе и мазуте). Газо-мазутные горелки представляют собой комплекс из газовой горелки и мазутной форсунки и в зависимости от конструкции предназначены для раздельного или совместного сжигания газового и жидкого топлива. Для установки горелки во фронтовой стенке (обмуровке) котла выполняют амбразуру.

В децентрализованном теплоснабжении используют, как правило, дизельное топливо и легкие сорта мазута. Прежде всего, это обусловлено удобством их транспортировки и хранения, невысокой вязкостью, облегчающей задачу эффективного сжигания, а также низким содержанием серы и золы, что решает проблему загрязнения окружающей среды и сохранности оборудования.

Дизельные котлы - это котлы, работающие на дизельном топливе, при этом всегда есть возможность заменить дизельную горелку на газовую (благодаря этому данные котлы можно считать универсальными). Горелки к дизельным котлам подбираются исходя из мощности котла. Дизельные котлы - это оптимальное решение, когда газ еще не подведен, но планируется его подвод. В этом случае не потребуется покупать еще один котел и изменять систему отопления и горячего водоснабжения, а достаточно будет просто поменять горелку на газовую.

Рис. 40. Устройство котла для сжигания жидкого топлива

Рис. 41. Устройство котлов для сжигания жидкого топлива

Рис 42. Устройство котлов для сжигания жидкого топлива

Рис. 43. Устройство котла для сжигания жидкого топлива (два вида)

Рис. 44. Устройство котлов для сжигания жидкого топлива

3. Котлы для сжигания газа и горение в них

Рис. 45. Устройство котлов для сжигания газообразного топлива

Рис. 46. Устройство котлов для сжигания газообразного топлива