Топочным процессом называется совокупность физических и химических явлений, связанных со сгоранием топлива в топках паровых котлов.
Все топочные процессы можно разделить на три основных типа:
1. Слоевой процесс (рис. 18.а) характерен тем, что поток воздуха, движущийся через проточную камеру топки, встречает на своем пути слой твердого кускового топлива, реагируя с которым превращается в поток горячих продуктов сгорания. Особенностями слоевого процесса являются большие размеры частиц топлива, значительная устойчивость горения, невозможность автоматизации процесса и низкая маневренность;
2. Факельный процесс (рис. 18.б) характеризуется непрерывным движением топливных частиц вместе с газовоздушным потоком, в котором эти частицы сгорают во взвешенном состоянии. В виде факела сжигают газообразное, жидкое и измельченное до пылевидного состояния твердое топливо. Топливо в топку подается через топочные устройства, представляющие собой совокупность форсунки и воздухонаправляющего устройства. Конструкция топочного устройства предполагает тонкое дробление или распыливание частиц топлива, тщательное перемешивание его с потоком воздуха, надежное воспламенение топливовоздушной смеси и качественное сгорание топлива в пределах топочного объема. Характерными особенностями процесса являются: малый запас горючего в топочном объеме, что делает процесс горения менее устойчивым; равенство времени пребывания частиц топлива в топке и времени их сгорания; легкая управляемость процессом горения топлива;
3. Вихревой (циклонный) процесс (рис. 18.в) является дальнейшим развитием факельного способа сжигания пылевидного твердого топлива. Он основан на использовании центробежного эффекта, возникающего при вращательном движении газовоздушного потока. Мелко раздробленное до частиц размером 2 ÷ 4 мм твердое топливо (торф или уголь) поступает вместе с небольшим количеством первичного воздуха через питатель в цилиндрическую камеру с выходным горлом. Основной (вторичный) воздух поступает с большой скоростью через сопла, обеспечивая образование в камере устойчивого циклона (вихря). Циркуляционное движение заставляет частицы топлива двигаться по локализованному контуру топочного объема столько раз, сколько нужно для их газификации и полного сгорания.
В топках судовых и корабельных паровых котлов осуществляется исключительно факельное сжигание жидкого топлива. Основными условиями осуществления интенсивного факельного процесса являются: тонкий распыл топлива, хорошее его перемешивание с воздухом, турбулизация факела и всего топочного объема.
Топка судового котла представляет собой проточную камеру, в большинстве случаев ограниченную с двух сторон трубами лучевоспринимающих поверхностей – экраном и первыми рядами конвективного парообразующего пучка, и с фронтов – огнеупорной обмуровкой фронтальных стенок, на которых расположены топочные устройства.
Топка является одним из важнейших элементов парового котла, определяющим его конструктивную форму, габариты и вес. В топках современных судовых паровых котлов при сгорании топлива достигается температура 1800 ÷ 2000 °С. Обмуровка позволяет защитить металлические части внутренней обшивки котла от воздействия высоких температур, уменьшить потери теплоты через обшивку котла в окружающую среду и обеспечить нормальные условия работы обслуживающего персонала. В качестве обмуровки используется огнеупорный шамотный кирпич или специальные огнеупорные карбид-кремниевые изделия.
В обмуровке на фронтах топки выкладываются специальные отверстия – фурмы, в которых размещаются топочные устройства, и лазы для производства осмотров и ремонтных работ в топке котла. В некоторых конструкциях котлов предусматриваются также отверстия для специальных смотровых устройств, позволяющих визуально наблюдать за процессом горения, и отверстие для запального устройства возле растопочной форсунки.
Форма топки определяется типом парового котла, количеством организованных газоходов, контуров циркуляции, и многими другими факторами. Наиболее часто встречаются топки треугольной, ромбической и овальной формы (рис. 19). Обводы топки определяют как конфигурацию притопочных рядов труб поверхностей нагрева, так и форму самого котла.
Форма и размеры топки существенно влияют на структуру газового потока. В плохо обтекаемой топке могут возникать застойные зоны с малым содержанием кислорода и низкой температурой. В длинной топке с однофронтовым отоплением смесеобразование в хвостовой части факела происходит вяло и приводит к неполноте сгорания топлива. Наилучшие аэродинамические условия для полного сжигания топлива создаются в короткой топке с двухфронтовым отоплением по форме близкой к цилиндрической. Встречные факелы пламени воздействуют друг на друга и способствуют усилению турбулентности газового потока в средней части объема топки и более полному сжиганию топлива.
Основным видом топлива, сжигаемым в топках судовых паровых котлах, является мазут. Мазутами называют остаточные высокосмолистые и высоковязкие продукты, получаемые при прямой перегонке нефти и крекинге. Состав мазута и его характеристики зависят от качества исходной сырой нефти, так как нефти различных месторождений сильно отличаются друг от друга по своему минеральному составу.
Для судовых паровых котлов в качестве топлива используют мазуты следующих марок:
- топочные мазуты марок: 20, 40, 60, 80 и 100 – ГОСТ 10585-99;
- флотские мазуты марок: Ф-5, Ф-12 и Ф-20 – ГОСТ 10585-99.
В качестве топлива для корабельных паровых котлов используются исключительно высококачественные флотские мазуты марок Ф-12, Ф-20 и высокосернистый флотский мазут марки Ф-5, а также их смеси. Вязкость этих мазутов, измеренная при 50 °С равна 12, 20 и 5 °ВУ (градусов условной вязкости) соответственно.
Учитывая, что хороший распыл мазута возможен при вязкости не выше 4 °ВУ, для всех видов мазутов, применяемых в судовых и корабельных котельных установках, необходим предварительный подогрев. Поэтому в состав топливных систем судовых паровых котлов обязательно включают нефтеподогреватели.
Удельная низшая теплота сгорания мазута равна:
Литература
Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]
