Види та властивості палива, що спалюється в опалювальних котельнях
Паливо - горючі речовини, які використовуються для отримання тепла. Паливо складається з горючої та негорючої частин. Займистою частиною є вуглець С, водень Н і сірка 5, а негорючою - кисень О, азот N. зола і волога.
Розрізняють тверде, рідке та газоподібне паливо. Тверде паливо - дрова, торф, буре і кам'яне вугілля, сланці; рідке - нафта і продукти її переробки - мазут, гас та ін, газоподібне - природні та штучні гази.
Розрізняють також природне паливо, що безпосередньо існує в природі - дрова, вугілля, торф, природний газ, та штучне, що є продуктом переробки природного палива - деревне вугілля, мазут, штучні гази та ін.
Залежно від величини теплоти згоряння розрізняють високосортне паливо (з високою теплотою згоряння) та низькосортне.
Зливного еквівалента — числа, що показує, скільки умовного палива рівноцінна одиниця маси будь-якого іншого виду дійсного палива. За даними, можна визначити паливний еквівалент. Так, для мазуту він дорівнює 9500:7000 = 1,36; для підмосковного вугілля 2640: 7000 = 0,38 і т.д.
З твердих палив в опалювальних котельнях в основному спалюють викопні вугілля, що поділяються на три групи — бурі, кам'яні та антрацити. Вони утворилися внаслідок повільного розкладання рослин під шаром землі без доступу повітря.
Антрацит - найстаріший з усіх груп викопного вугілля. Він згоряє без полум'я із виділенням невеликої кількості диму, зручний для спалювання в топках будь-яких котлів.
З рідких палив у опалювальних котельнях застосовують мазут - залишковий продукт переробки нафти із щільністю 0,96-0,98 т/м3. Його зберігають упідземних сталевих чи залізобетонних резервуарах, встановлених поза котельнями. Місткість резервуарів розраховують на потребу не менше 15 діб. роботи котельні.
Газоподібне паливо - це суміш горючих та негорючих газів. У природному газі в основному містяться метан (СН4), етан (С2Н6) та важкі вуглеводні, а також негорючі гази – вуглекислий газ (С02) та азот (). У середньому природні гази складаються з 96% метану, 2% етану, 0,5% важких вуглеводнів та 1,5% вуглекислого газу та азоту.
Метан - речовина, одна молекула якої складається з одного атома С та чотирьох атомів Н: 1 нм3 метану важить близько 0,7 кг. Етан - речовина важча за повітря; 1 им3 важить 1,36 кг.
Порівняно з твердим паливом газоподібне має низку переваг - простота та менша трудомісткість обслуговування котлів; краще перемішування пального і з повітрям, внаслідок чого можливе горіння з найменшим надлишком повітря і, отже, меншими втратами тепла з газами, що відходять.
Однак при спалюванні газу слід враховувати й особливості цього процесу — вибухонебезпечність та отруйність газу. Природний газ при вмісті його у повітрі від 3,8 до 17,8% (за обсягом) утворює суміш, яка при вогні чи іскри вибухає. Витік газу небезпечний і тому, що він отруйний. Тому природний газ, що не має кольору, смаку та запаху, попередньо одоризують, додаючи до нього речовини із сильним запахом.
Горіння палива - швидке хімічне з'єднання горючих елементів палива з киснем повітря, що відбувається за високої температури із тепла. При горінні вуглецю утворюється вуглекислий газ (0+02=С02) та виділяється 8050 ккал/кг вуглецю. Водень, згоряючи, утворює водяні пари (2Н2-г-02=2Н20), причому виділяється 28500 ккал/кг водню. При горінні сірки утворюється сірчистий газ(3+02=502) та виділяється 2160 ккал/кг сірки.
При нестачі повітря відбувається неповне згоряння вуглецю, його частина утворює окис вуглецю (2С + +02 = 2СО), при цьому відбуваються значні втрати тепла.
Необхідна для повного згоряння палива кількість повітря залежить від його теплоти згоряння; для антрациту воно в середньому дорівнює 7,8 м3/кг, для торфу та бурого вугілля –3 м3/кг, а для московського міського газу – 10 м3/м3.
Однак у котлах неможливо забезпечити достатнє перемішування повітря із паливом. Тому для повного згоряння палива потрібний певний надлишок повітря. За нормальних умов роботи котлів коефіцієнт надлишку повітря становить твердого палива 1,3—1,5, а газу і мазуту — 1,05—1,15. При більшому надлишку повітря відбудуться значні втрати тепла з газами.
Причинами, що викликають проходження через топку надмірно великої кількості повітря, можуть бути: сильна потяг в димарі; надмірно велике надходження повітря з дутьового повітроводу; не щільності в гарнітурі котлів та її притворах; занадто тонкий шар палива або прогари в цьому шарі. За наявності надлишку повітря полум'я виходить прозоре, світле, а безбарвний дим (при спалюванні антрациту безбарвність диму не є ознакою надлишку повітря). При прогарах полум'я на ділянках, що прогоріли, має сліпучо білий колір.
Для зменшення кількості надлишкового повітря, його подачу в топку необхідно регулювати в залежності від процесу горіння. Підсушене та нагріте паливо виділяє горючі гази, які у топковому просторі перемішуються з повітрям та згоряють, утворюючи полум'я. У цей період у топку треба подавати більше повітря, щоб горючі гази встигли згоріти. Для цього піднімають шибер за котлом, повністю відкривають піддувальну тапрочиняють зольну дверцята або повністю відкривають дросель - клапан на дуттьовому повітроводі.
У міру того як кількість горючих газів, що виділяються, знижується, зменшують надходження повітря в котел. При горінні палива на колосникових гратах повітря треба подавати в такій кількості, щоб колір шару вийшов солом'яно-золотистий, а дим, що виходить з труби - світло-сірого кольору.
Втрати тепла від хімічної неповноти горіння відбуваються, якщо паливо спалюють при недостатній кількості повітря або воно розташоване по решітці колосника нерівним шаром. При нестачі повітря утворюється чадний газ (окис вуглецю), при якому частина тепла, що міститься, не використовується в котлі, а йде з димовими газами в трубу.
При нерівномірному розміщенні палива на решітці в тонкі ділянки шару повітря надходить у надлишку, а потовщені ділянки — недостатньо. В результаті виходить одночасно подвійна втрата тепла: з димовими газами через топкий шар палива та від неповноти згоряння палива в товстому шарі.
Ознакою неповноти згоряння палива є синьо-червоний колір полум'я та чорний колір диму. При неповному спалюванні антрациту над шаром палива з'являються блакитні мови окису вуглецю, що горить.
Приплив повітря в котел зменшується, якщо на колосникових гратах лежить надмірно товстий шар шлаку і палива.
Товщина шару палива на колосникових ґратах не повинна перевищувати при спалюванні (мм): дрібного бурого вугілля 40—50, великого бурого вугілля — 70—80, дрібного антрациту — 100, великого антрациту — 200, дрібного торфу — 400, дрібного торфу — 400, 700 і шматкового торфу - 800. Необхідно закидати паливо в топку часто і маленькими порціями; при цьому температура в топці не різко знижуватиметься, а паливо швидко розгориться, так як відМінімальних порцій палива виділяється трохи горючих летких речовин і вони встигають згоряти в топковому просторі. У міру згоряння завантаженої в топку порції палива необхідно зменшити кількість повітря, що надходить у топку, а після завантаження нової порції, коли з неї починається бурхливе виділення газів, надходження повітря в топку збільшують повністю відкриваючи шибер за котлом.
Якщо є ознаки неповного згоряння палива, необхідно тимчасово посилити дуття і тягу або дати вигоріти шару палива, що знаходиться в топці, а потім підтримувати нормальний режим його спалювання.
Втрата палива від механічної неповноти його горіння відбувається при частковому провалі палива через зазори колосникових грат, винесення дрібного палива в газоходи котла, борова і в димову трубу і при обволіканні незгорілих шматочків палива шлаком, що плавиться.
Втрата в шлаку тим більше, що вища зольність палива і що менше вихід летких речовин; останнє пояснюється тим, що при згорянні палива з малим виходом летких речовин температура шару палива висока, шлаки плавляться і обволікають шматочки палива з усіх боків, тим самим припиняючи його горіння.
Втрати палива в шлаку знижуються при чищенні топки, а також при роздробленні шлаку після видалення його з топки з подальшим вилученням з нього (після охолодження) шматочків палива, що не згоріли. Тому перед котел слід закидати лише дрібні шматочки вугілля.
Якщо на решітці накопичилися шлаки, горіння палива погіршується, і тому їх необхідно зламувати (але їх слід не викидати, а перемішувати з паливом, що горить).
Різко знизити втрати палива від зашлакування можливо, якщо застосувати порожнисту колосникову решітку, що змивається водою. Великих розмірів (до 20%) можуть досягти втрати палива від винесенняпри вугіллі, що не спікається, значному форсуванні роботи топки і дрібному паливі.
Для боротьби з винесенням палива необхідно знизити надлишок повітря, що подається в топку, знизити форсування котла до нормальної величини та змочити дрібне паливо водою для утворення кірки. Необхідно також сортувати паливо за розмірами шматків, а дріб'язок спалювати при малій форсуванні котлів, тобто при вищій температурі зовнішнього повітря.
Хороший результат дає збільшення обсягу топкового простору шляхом реконструкції топки.
Крім перерахованих втрат тепла в котельних установках мають місце втрати тепла в довкілля (у повітря котельні) через обмуровку котлів, ізоляцію трубопроводів та від арматури.
Коефіцієнт корисної дії котельної установки - відношення кількості тепла, виробленого цією установкою, до теплоти згоряння всього спаленого в казанах палива.