Джерела енергії і генератори енергії

Курсова робота

Джерела енергії і генератори енергії

Вступ

Сукупність усіх видів енергетичних ресурсів, підприємств по їхньому видобутку, виробництву, транспортуванню, перетворенню і використанню з метою забезпечення споживачів різними видами енергії складає паливно-енергетичний комплекс країни (ПЕК).

Найважливішими складовими ПЕК є енергетика і паливна промисловість.

Енергетика — галузь народного господарства, що охоплює одержання, перетворення, передачу і використання різних видів енергії й енергетичних ресурсів. Кінцевим результатом функціонування енергетики як галузі промисловості є корисна енергія, тобто енергія, що надходить до споживача і забезпечує корисну роботу промислових, транспортних, сільськогосподарських, будівельних і інших машин, систем, установок, приладів. Темпи розвитку енергетики обумовлюються безупинно зростаючим попитом на енергію у всіх сферах людської діяльності - виробничої, наукової, управлінської, охорони здоров’я, комунально-побутової, культурної й ін. З другої половини XX в., в умовах науково-технічної революції, потреби суспільства в енергії, і насамперед в електричній, ростуть особливо швидко.

Ступінь задоволення виробництва в електричній, механічній і тепловій енергіях визначає енергооснащеність праці - показник, що характеризує зв’язок витрат живої праці з виробничим споживанням енергії.

Підвищення енергооснащеності праці - одне з основних умов прискорення темпів науково-технічного прогресу, росту продуктивності праці. В даний час значення енергетики для економіки нашої країни зросло настільки, що масштаби виробництва і практичного використання енергії й енергетичних ресурсів розглядаються як найважливіші показники економічного потенціалу країни, її виробничих (технологічних) і наукових можливостей. Розвиткові енергетики і насамперед електроенергетики в нашій країні завжди приділялося і приділяється найпильніша увага.

Основні види енергетичних ресурсів — органічне паливо (вугілля, нафта, природний газ), енергія водного потоку (гідроенергетичні ресурси), ядерна енергія, внутрішнє тепло Землі (геотермальні ресурси), енергія вітру і сонячного випромінювання (сонячної радіації).

1. Паливо

1.1 Види палива

Основним джерелом теплоти в промисловості, на транспорті, в сільському органічного походження. господарстві і в побуті є горючі речовини Останнім часом на електричних станціях і в установках спеціального призначення застосовують ядерне паливо. Застосування тієї чи іншої горючої речовини для технічних потреб визначається техніко-економічними і плановими міркуваннями.

Залежно від призначення технологічне і побутове.

Всі види органічного палива можуть бути поділені за агрегатним станом на тверді, рідкі і газоподібні, а за способом добування на природні й штучні.

До природного твердого палива належать: антрацити, кам’яне вугілля, буре вугілля, торф, дрова, горючі сланці, відходи промисловості і сільського господарства — здубиця, лушпиння, костриця.

Штучне тверде паливо: брикети (торф'яні, буро-вугільні, кам’яновугільні), кокс (кам'яновугільний, торф’яний, нафтовий) напівкокс (буро-вугільний, торф’яний); деревне вугілля, пил (вугільний, торф’яний, сланцевий).

Природне рідке паливо: нафта (сира нафта). Штучні рідкого палива: нафтові продукти — бензин, лігроїн, керосин, мазут, спирти, колоїдне паливо (суміш мазуту з вугільним пилом).

Природне газоподібне паливо — природний газ. До штучних видів газоподібного палива належать гази: доменний, коксовий, генераторний, напівкоксовий, крекінг-газ, газ підземної газифікації.

1.2 Загальні характеристики твердого й рідкого палива

Склад палива. Паливо в такому вигляді, в якому воно ходить до споживача, називається робочим паливом. Тверде й рідке робоче паливо складається з вуглецю С, водню Н, кисню О, азоту N, леткої (або горючої) сірки Sл, мінерал (точніше твердих негорючих) домішок, А і вологи W.

Тверді негорючі домішки характеризують зольність палива. Тому величину, А звичайно називають вмістом золи в паливі, хоча це не зовсім точно, бо шлак і зола — це вогнищеві залишки, що утворюються під час спалювання палива.

Склад твердого й рідкого палива прийнято виражати у вагових процентах. Якщо позначити ваговий процентний вміст компонентів у робочому паливі С, Н, О і т.д., то очевидно

C +H +O +N +S +A +W = 100% (1)

Отже, застосовується елементарний склад робочого палива (термін «елементарний» — умовний, оскільки, А і W не хімічні елементи).

Паливо, з якого сушінням повністю видалена волога, називають абсолютно сухим паливом, або абсолютно сухою масою палива. Абсолютно сухе паливо містить шість компонентів, і його склад записується так:

C +H +O +N +S+A =100% (2)

де С, Н і т.д. — ваговий процент вуглецю, водню і т.д. в абсолютно сухому паливі.

Якщо припустити, що з абсолютно сухого палива виділені негорючі домішки А, то залишається п’ять компонентів, що становлять так звану горючу масу палива. Її елементарний склад:

C +H +O +N +S =100% (3)

Сірка в паливі міститься в різних сполуках: сульфатна S входить до складу сульфатів СаSO4, Na2SO4, К2SO4; колчеданна S — у сполуці з металами (звичайно з залізом у вигляді FeS2) і органічна S — у складі органічних сполук. Сульфатна сірка не горить, і її наявність ураховується в негорючих домішках А. Органічна і колчеданна сірки беруть участь у горінні, і їх сума становить летку (або горючу) сірку палива S=S +S.

Якщо вилучити з горючої маси палива колчеданну сірку, то залишається паливо такого складу:

С° +Н° + O° + N° + S° = 100%. (4)

Такий склад палива називається органічною масою палива. Здебільшого вміст органічної сірки в паливі невеликий (десяті частки процентів). Тому іноді записують склад органічної маси палива спрощено: С° + Н° + O° + N° = 100%.

Види вологи і форми зв’язку її з органічною речовиною різні і досить складні. В теплотехніці прийнята не зовсім точна, але проста й зручна класифікація, за якою волога робочого палива W^р поділяється на два види: повітряну W^р, що видаляється при кімнатній температурі, і гігроскопічну W^р, що видаляється в сушильній шафі при температурі 102−105° С. Отже,

W= W + W (5)

Паливо, з якого видалена повітряна волога, називаєтьcя повітряно-сухим паливом, або аналітичною пробою. Паливо цього складу використовують для проведення технічного аналізу в лабораторіях. Вміст гігроскопічної вологи, виражений у вагових процентах відносно до складу аналітичної проби, позначається W^a, відносно до складу робочого палива W. Оскільки робоче паливо відрізняється від аналітичної проби вмістом W, то

W = W (6)

Склад аналітичної маси палива:

C^а + H^а + O^а + N^а +S+A^а +W^а=100%. (7)

Під час проектування і експлуатації котельних установок досить часто доводиться робити перерахунки складу палива. Склад робочого палива може значно змінюватися, бо величини A і W коливаються в широких межах. У той самий час склад горючої маси палива більш-менш стабільний. Це дає можливість за складом горючої маси із задовільною точністю визначати склад робочого палива, не роблячи щоразу повного елементарного аналізу палива. Перерахунки роблять у випадку надходження на склади палива із змінною вологістю, якщо треба підсушити паливо, під час лабораторних аналізів тощо.

Під час перерахунків треба визначити, вмістом яких компонентів відрізняється шуканий склад від заданого, і користуватися правилом пропорцій.

Найважливішою характеристикою палива є його горюча маса. Її склад для кожного виду палива дається в таблицях, якими найчастіше користуються під час перерахунків. Якщо відомий склад горючої маси (C, Н і т.д.), зольність А^р і вологість W робочого палива, то легко знайти елементарний склад робочого палива. Наприклад:

С = С (8)

Користуючись коефіцієнтом перерахунку, можна визначити решту компонентів у робочому паливі (Н, О і т.д.). Аналогічно розв’язуються й інші завдання під час перерахунку складу палива.

Теплота згоряння. Теплота згоряння (тепловидатність) палива Q кДж/кг-це теплота реакції горіння палива, тобто та кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні 1 кг твердого або рідкого палива і при охолодженні продуктів горіння до початкової температури процесу.

У паливі міститься три горючі компоненти — вуглець, водень і сірка. Внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива утворюється водяна пара. Під час охолодження продуктів горіння можливі два випадки: Н₂О залишається в димових газах у вигляді водяної пари; водяна пара конденсується. Це залежить від парціального тиску пари і кінцевої температури продуктів горіння. В першому випадку буде реалізована менша кількість теплоти, а в другому — більша, бо виділиться теплота конденсації водяної пари.

Тому розрізняють нижню (меншу) і верхню теплоту згоряння палива.

Для даного палива чисельно найменшою величиною буде нижня теплота згоряння робочого палива Q, а найбільшою — верхня теплота згоряння органічної маси Q. У розрахунковій практиці звичайно користуються величиною Q.

Залежність між верхньою і нижньою теплотою згоряння робочого палива можна визначити за формулою

Q =Q — Q, де

Q = rGn є теплотою конденсації тієї кількості водяної пари Gn, яка утворюється в процесі горіння. Внаслідок горіння водню, відповідно до стехіометричного співвідношення 2Н2 + O2 == 2Н2О, утворюється приблизно 9 кг водяної пари. До цього треба також додати ще кг водяної пари, що утворилася внаслідок випаровування вологи палива. Отже, Gкг.

Вважаючи, що r округлено (з урахуванням того, що парціальний тиск водяної пари в продуктах згоряння малий) дорівнює 2500 кДж/кг, дістанемо:

Qn =rGn =25 (9H + W) кДж/кг звідси

Q = Q — 25 (9H + W) кДж/кг (9)

Аналогічно Q =Q -225 Н°. Такі співвідношення легко здобути для будь-якого складу палива. Паливо можна спалювати або при постійному тиску, або при постійному об'ємі. При цьому теплота згоряння при постійному об'ємі буде трохи більша, ніж при постійному тиску. Проте для переважної більшості палив різниця ця настільки мала, що нею нехтують.

Теплота згоряння палива не залежить від температур, які діють під час процесу, але залежить від початкової і рівної їй кінцевої температур процесу. В технічних розрахунках користуються значеннями теплоти згоряння, здобутими при температурі +20°С.

Визначити теплоту згоряння палива можна по-різному. Наближені значення теплоти згоряння можна дістати з емпіричних формул, що зв’язують теплоту згоряння палива з його елементарним складом. Найкращою формулою цього типу є формула Менделєєва:

Q= 338С+1256H + 109 (O-S) -25 (9H — W) кДж/кг. (10)

Якщо відома теплота згоряння якогось складу палива (наприклад, горючої маси), то значення Q для іншого складу можна здобути перерахунком. Проте в цьому разі не можна, як і при перерахунку складу палива, обмежитися простим застосуванням правила пропорцій, а треба врахувати вплив на Q того чи іншого компонента. Наприклад, якщо відоме Q і треба знайти Q, то перерахунок робиться за такою формулою:

Q=Q25W (11)

Тут зольність робочого палива враховується один раз, а волога двічі - як компонент, що знижує кількість горючих речовин у паливі, і компонент, що потребує затрати теплоти для свого випаровування.

Більш надійно теплоту згоряння палива можна визначити в калориметричній установці, схему якої показано на мал. 1.

Мал. — 1 калориметрична установка: 1-калориметрична бомба; 2-резервуар калориметра; 3 — двостінний захисний кожух з водою; 4 — мішалка; 5 — термометр; 6 — приводний механізм мішалки

Основним елементом установки є калориметрична бомба 1, в яку вміщують аналітичну пробу палива із встановленою в ній залізною дротинкою. Бомбу заповнюють киснем під тиском 25−30 бар і установлюють у посудину з водою. При вмиканні електричного струму проба палива займається від розжареної дротинки і згоряє, а теплота, що виділяється при цьому, передається воді і деталям калориметра.

За підвищенням температури води (з урахуванням теплоти, переданої деталям калориметра, і поправок) визначають найвищу теплоту згоряння аналітичної проби Q.

Нижчу теплоту згоряння робочого палива можна знайти з результатів калориметричного визначення за формулою:

Q=Q25 (9Н+W) (12)

Для оцінювання запасів палива, його питомих витрат і різних зіставлень користуються поняттям умовного палива, теплота згоряння якого становить 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Баласт. Баластом робочого палива є сірка, зола і волога. Хоч сірка — горючий елемент, її вважають баластом, бо внаслідок її згоряння утворюються шкідливі продукти: сірчаний і (в невеликій кількості) сірчаний ангідриди. Сірчаний газ отруює атмосферу, а сірчаний ангідрид призводить до утворення сірчаної кислоти, яка роз'їдає метал елементів котлоагрегату.

Вміст леткої (органічної і колчеданної сірки) в горючій масі різних видів палива S може бути в межах: у торфі, деревині, малосірчастій нафті - 0,2−0,4%; в антрациті, кам’яному вугіллі, бурому вугіллі - 2−6%; сірчастому сланці - до 15%.

Зола палива складається з внутрішньої (первинної) і зовнішньої (прошарки породи, мінеральні речовини, внесені в процесі добування і транспортування палива). Для проектування котельного агрегату треба знати не лише, скільки золи міститься в паливі, а й її плавкість, склад і характер реакції.

Вміст золи в абсолютно сухій масі різних палив, А коливається в широких межах: від 0,3% для нафти до 70% для сланців. Зольність кам’яного вугілля А^с становить 5−20%, бурого вугілля-15−35%; торфу (малозольного) — 4−10% і 10−20% (високозольного).

Плавкість золи характеризується температурами початку деформації t1, розм’якшення t2 і рідкоплавкого стану t3. Їх визначають у лабораторній печі. Значення цих температур залежить від складу золи і температури газового середовища, в якому відбувається нагрівання. З них найбільший інтерес для проектування топок становить температура початку розм’якшення t2. Залежно від температури рідкоплавкого стану t3 розрізняють: легкоплавку золу, якщо t3 <1200°С, середньоплавку, якщо t3 = 1200−1400°С, і тугоплавку, якщо t3>1400°С.

Склад мінеральних домішок різних палив дуже різноманітний. Переважними компонентами звичайно є глинозем і кремнезем. Крім того, до складу золи входять сульфати, карбонати (кальцію), луги, хлориди та інші сполуки.

Сумарний характер реакції шлаку (кислий, основний, нейтральний), що утворюється під час спалювання палива, треба враховувати при виборі матеріалу для футеровки топки. Реакція шлаку і футеровки повинна бути одного знаку, бо інакше при різко вираженому характері реакції шлаку інтенсивно руйнуватиметься футеровка.

Вміст вологи в паливі W^р коливається від 2% у нафті до 65% у здубиці. Вологість кам’яного вугілля становить 5−10%, бурого вугілля 30−58%, торфу 35−50%.

Волога палива зменшує в ньому вміст горючих речовин, знижує нижню теплоту згоряння палива як споживач теплоти для свого випаровування; переходячи у вигляді водяної пари в продукти згоряння, збільшує їх сумарну теплоємність. Усе це температуру горіння і нерідко погіршує економічність і стійкість процесу спалювання.

Вихід летких речовин. При нагріванні палива без доступу повітря (суха перегонка) відбувається термічний розклад палива з виділенням так званих летких речовин і твердого нелеткого залишку. Леткі речовини — це суміш газів і пари (пірогенетичної вологи, СО₂, пари первинних смол, СО, Н₂, СmНn, Н2S). Їх кількість і склад є важливими характеристиками палива.

До складу твердого залишку, що називається коксом, або нелетким залишком, входять вуглець С і зола А. Кокс може мати вигляд порошку, мало зв’язаних крупинок, міцної щільної або ніздрюватої маси.

Вихід летких речовин у вагових процентах на горючу масу коливається від 4% для антрациту до 85% для нафти і сланців. Проміжне положення по значенню V^г посідають: пісне кам’яне вугілля 10−15%, полум’яне кам’яне вугілля 20−45%, буре вугілля 50−60%, торф 70%.

Процес сухої перегонки при температурі 1050−1100° С називається коксуванням і широко застосовується для добування високоякісного металургійного коксу. Рідше застосовується напівкоксування палива (в основному бурого вугілля) — суха перегонка при 500−600° С. Основна мета такого процесу — здобуття цінних рідких і газових продуктів.

1.3 Характеристика окремих видів палива

Дрова. Деревина є дуже цінним матеріалом для будівництва мебельної, целюлозної й інших галузей промисловості. Тому застосовувати її як паливо недоцільно. Роль деревини в паливному балансі нашої країни дуже мала і з кожним роком зменшується.

Основою деревини є клітковина, або целюлоза (С₆Н₁₀О₅), її в деревині близько 70%. Друга складова деревини — лігнін, (СmНnОр). У ньому більше вуглецю і менше кисню, ніж у клітковині. Середній склад органічної маси деревини С° = - 50,0%, Н° == 6,1%, O° + N° == 43,9%. Теплота згоряння Q = 18 420 кДж/кг.

Склад і теплота згоряння одного кілограма органічної маси деревини дуже мало залежить від породи дров. У деревині дуже мало сірки, небагато золи (А=12%), але багато вологи; у свіжоспиляних дровах W=50%, в однорічних W=2530%. Теплота згоряння однорічних дров Q=11 720 кДж/кг.

Торф. Торф — це перший (наймолодший за геологічним і хімічним віком) продукт розкладання скупчень рослинних залишків при дуже обмеженому доступі повітря. Під час розкладання виділяються СОз, Н₂О, СН₄ і NНз. Твердий продукт розкладання характеризується високим вмістом вуглецю і більш низьким вмістом кисню.

Склад торфу коливається в широких межах. Він визначається властивостями рослинних залишків (гумусовий, сапропелітовий, бітумінозний торф) і мірою їхнього розкладання (малорозкладений, дуже розкладений торф). Приблизний середній склад торфу такий: С°=58.0%, Н°=5,8%, О°=34,2%, N =2,0%, його теплота згоряння Q = 22 190 кДж/кг. Вміст сірки S =0,2−0,3%.

Зольність робочої маси торфу верхових торфовищ невелика (до 10%), низинних — значна (20% і більше). Вологість робочого палива 35−50%.

Залежно від способу добування розріняють кусковий (машиноформований, гідроторф) і фрезерний торф (дрібняк). У техніко-економічному відношенні найдоцільніший спосіб добування торфу — фрезерний.

Буре вугілля. Буре вугілля геологічно і хімічно старіший, ніж торф, продукт розкладання рослинних залишків. Міра його вуглефікації вища, склад і властивості коливаються також у широких межах. Приблизний середній склад і теплота згорання бурого вугілля: С°=68,5%, Н°=5,5%, О°=25%, N°=1,0%, Q°=27 210 кДж/кг.

Робоче паливо характеризується звичайно високою сірчастістю (Sл — 1−3%), зольністю (А =10 — 25%) і вологістю. Вологість хімічно старого бурого вугілля W^р =30%, а молодого вугілля — 55−58%. Основні типи бурого вугілля за структурою: кускуваті, землисті, лігніти.

Торф і буре вугілля належать до місцевих низькосортних видів палив, яке доцільно використовувати недалеко від місця добування (в радіусі 100−150 км).

Кам’яне вугілля. Кам’яне вугілля — наступний (у розумінні геологічного і хімічного віку) продукт глибокої вуглефікації рослинних залишків. Термін «кам'яне вугілля» — широкий і збірний. Він об'єднує багато різноманітних за своїми властивостями видів палива. До загальних ознак, що відрізняють кам’яне вугілля від бурого вугілля і торфу належать: відсутність видимих неозброєним оком рослинних залишків, мала гігроскопічна вологість W^а <10%, загальна лужна реакція продуктів сухої перегонки, висока теплота згорання Q >31 400 кДж/кг.

Основні марки кам’яного вугілля і його класифікацію подано в таб. 2. В основу класифікації покладено: вихід летких речовин V і характеристика нелеткого залишку.

Таблиця 2

Кам’яне (і буре) вугілля класифікуються також за розміром кусків у мм: крупний К (50−100,) горіх О — «орех» (25−50), дрібний М — «мелкий» (13−25), насіннячко С — «семечко» (6−13) і штаб Ш (< 6). Для рядового вугілля розмір кусків — до 200 мм при шахтному добуванні і до 300 мм при відкритій розробці.

Дуже важливе значення для енергетики України має донецький антрацит. Склад його горючої маси: С^г =94%, Н^г =2%, О^г =2%, S^г =1%. На великих електростанціях застосовують антрацитовий штиб АШ із зольністю, А до 20% і вологістю W=5−10%.

Горючі сланці. Горючі сланці є сумішшю сапропелітових (нафтоподібних) продуктів, які утворилися внаслідок розкладання багатих на жири водних мікроорганізмів, що припинили свою життєдіяльність, з мінеральними речовинами, що потрапили в сапропелітові скупчення внаслідок обвалів, замулювань тощо. Сланці відзначаються великим виходом летких речовин (V^г до 85%), високим вмістом водню (Н^г до 10%) і високою зольністю (А^г до 70%), помітну частину якої становлять карбонати (СаСО₃).

Дуже ефективний метод використання сланців — суха перегонка. Їх застосовують також для енергетичних потреб і на великих теплових електростанціях.

Нафта. Нафта-складна суміш вуглеводнів різного складу. Розрізняють шість її типів. Основні з них — метанова і нафтенова. До останнього часу була загальноприйнятою органічна теорія походження нафти. Нині знову висувають варіанти теорії її мінерального походження. Нафту класифікують також за вмістом сірки (малосірчаста S<0,5%, сірчаста S< 1% і високосірчаста S<3,5%), смолистих речовин і за температурою застигання масляної фракції (малопарафіниста t заст. <-16 °С, парафіниста t заст. = -15 + 20° С і високопарафіниста t заст.>20°С).

Нафта — дуже цінна сировина для хімічної промисловості, виробництва легких палив, мастил та ін. Тому для енергетичних потреб використовують тільки відходи нафтопереробної промисловості - мазути. Склад мазуту мало відрізняється від складу нафти: C =86−88%, H =10 — 11%. Із сірчастих нафт виробляють високосірчасті мазути, в яких вміст сірки S досягає 4%.

Вологість мазуту W =2−3% (якщо під час зливання застосовують паровий розігрів, то W до 5%), а теплота згоряння Q = 39 770 кДж/кг. Мазут — перспективне паливо.

1.4 Газоподібне паливо

У котельних установках широко застосовується газоподібне паливо: природний і доменний гази. Інші штучні гази або зовсім не застосовують для енергетичних потреб, або застосовують дуже рідко (газ підземної газифікації).

На відміну від інших видів палива, склад газоподібного палива задається звичайно в об'ємних процентах. При цьому в розрахунках вводиться нормальний кубічний метр сухого газу. Крім сухої частини, гази містять також домішки: водяну пару, пил, смоли, кількість яких задається в грамах на 1 м³ сухого газу. Теплота згоряння газоподібного палива — це теплота реакції горіння 1 м³ газу. Її можна визначити спалюванням у спеціальній калориметричній установці (типа юнкерса), або калориметричною бомбою; підрахунком за складом газу і відомою теплотою згоряння окремих компонентів

Q = 128СО + 107Н2+ 355СН4 + 628СmН n кДж/м³. (13)

Природні горючі гази поділяють на сухі гази суто газових родовищ і попутні «жирні» гази, що супроводжують нафтовидобуток.

Сухий природний газ є сумішшю вуглеводнів, невеликої кількості інертних газів і сірководню. Основною складовою такого газу є метан, вміст якого досягає 80−98%, решта складових — вуглеводні метанового ряду СnН2n+2, N2, СО3 і Н2S. Природний газ — висококалорійне паливо, теплота згоряння його Q =(33,5−35,5) 10³ кДж/м³.

Доменний (колошниковий) газ містить окис вуглецю (20−30%), водень (5−10%), азот (50−55%) і двоокис вуглецю (6−12%). Теплота згоряння його мала: Q= 4,18 10³ кДж/м³. Доменний газ використовують на металургійних заводах як паливо котельних установок і технологічних печей.

2. Горіння палива і газові розрахунки

2.1 Стехіометричні співвідношення

Горінням називають процес інтенсивного з'єднання горючої речовини з окислювачем (киснем), що відбувається при високих (1000−2000°С) температурах і характеризується інтенсивним тепловиділенням.

Процес горіння навіть найпростіших за своїм хімічним складом горючих речовин досить складний і для багатьох речовин ще мало вивчений. Ще складніший він для таких комплексних сполук, як органічне тверде паливо. Проте для першого етапу звичайних теплових розрахунків котельних агрегатів і промислових печей — газових розрахунків — досить знати початковий і кінцевий стани системи пальне — окислювач, не розглядаючи процес горіння, проміжних стадій і його кінетики.

Формули, що застосовуються в газових розрахунках, виводять із стехіометричних рівностей, які дають співвідношення реагуючих речовин у молях, вагових і об'ємних одиницях. Нижче наводяться стехіометричні співвідношення для основих горючих елементів твердого, рідкого і газового палива:

С + О2 = СO

1? 1? 1 ?

12 кг 32 кг 44 кг

1 м³ ~ 1 м³

2С + О= 2СО

2? 1? 2?

24 кг 32 кг 56 кг

1 м³ 2 м³

2СО + O = 2СO

2? 1? 2?

2 м³ 1 м³ ~ 2 м³

СН + 2О == СО +2НО

1? 2? 1? 2?

1 м³ 2 м³~ 1 м³ 2 м³

Взагалі для вуглеводнів:

CH (m+) О=mCO+HO

{m+}? m? ?

{m+} м~mм м

2.2 Витрата повітря

Мінімальна кількість повітря, потрібна для повного згоряння палива, називається теоретичною кількістю повітря. Вона може бути виражена в м³ на 1 кг палива (V⁰) або в кг/кг (L⁰).

Користуючись стехіометричними співвідйошеннями, легко визначити вагову теоретичну кількість кисню в кілограмах на 1 кг палива:

L=++7,94;

Потім, беручи до уваги вагову частку кисню в повітрі, що дорівнює 0,231, з рівності L=знаходимо L^0:

L=0,115 (C+0,37S)+0,342H -0,043O (1−14)

Поділивши L⁰ на густину сухого повітря 1,293 кг/м³, дістанемо:

V⁰ = 0,089 (С + 0,37 S) + 0,265 Н^р — 0,033 O (15)

Щоб забезпечити в реальних топках максимальне згоряння палива, до них треба підвести більшу кількість повітря, ніж V⁰. Відношення дійсної кількості повітря V до V⁰ називається коефіцієнтом зайвини повітря в топці ?:

?=

Значення? залежать від виду палива і конструкції топки і коливаються від 1,03 для газового палива, до 1,5 для твердого палива, що спалюється на колосниковій решітці

2.3 Об'єм продуктів згоряння

У топкових обладнаннях сучасних котлоагрегатів середньої і великої потужності досягається практично повне згоряння палива. Тому при розрахунках вважають, що воно згоряє повністю. У цьому випадку продукти згоряння складаються з вуглекислого газу СО2, сірчастого ангідриду SO2, невикористаного у процесі горіння азоту N, зайвинного кисню О і водяної пари НО. Сума Vco + Vso + Vo + V =Vc.г. становить об'єм сухих газів. Повний об'єм газів Vг.= Vc.г. + Vно =. Vco + Vso + Vo + V+ Vно.

Щоб дістати зручні для проектування формули, доцільно ввести поняття теоретичного об'єму продуктів згоряння V, тобто об'єму димових газів, який був би при повному згорянні палива теоретичній кількості повітря. У цьому разі V= Vco + Vso + Vно + V (невикористаного кисню в димових газах нема, а відзначати особливим індексом Vco і Vso, непотрібно, бо Vco і Vso, не залежать від коефіцієнта зайвини повітря).

Об'єм триатомних газів V = Vco + Vso, прийнято позначати VRo.

Із стехіометричного співвідношення (I-10) видно, що при спалюванні 1 моля (12 кг) вуглецю утворюється 1 моль вуглекислого газу. Густина СО дорівнює 1,977 кг/м³, об'єм моля СО (при 0 °C і 760 мм рт. ст.) — 22,26 м³. Тому

V=· =1,86 м на 1 кг палива (16)

Аналогічно, якщо густина SO2 дорівнює 2,927 кг/м³, а об'єм моля SO становить 21,89 м³

V=0,68 м на 1 кг палива (17)

Отже

V=1,86 кг/м³ (18)

або, якщо позначити через К суму С + 0,37 S,

V=1,86 кг/м³ (19)

Теоретичний об'єм азоту V, складається з об'єму азоту, що надійшов з теоретичною кількістю повітря і становить 0,79 V° (об'ємна частка азоту разом з аргоном та іншими інертними газами в повітрі становить 0,79), і об'єму азоту, що виділився з палива, 0,8, де 0,8-питомий об'єм азоту в м^з/кг:

V=0,79 V°+ 0,8м/кг (20)

Теоретичний об'єм сухих газів

V= V+V=1,86+0,79 V°+0,8м/кг (21)

Водяна пара утворюється при спалюванні палива внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива. Крім того, в продукти горіння переходить водяна пара, внесена у топку повітрям, яке підводиться до неї.

Теоретична вагова кількість водяної пари в продуктах згоряння становить:

G=+0,013 V° кг/кг Тут · (із стехіометричного співвідношення) — кількість води, що утворилася внаслідок горіння водню палива;

W /100 — випарена волога палива, що перейшла в продукти згоряння;

0,013 V⁰ — водяна пара, внесена з повітрям (середнє значення вологовмісту повітря d, беруть 10 г. на 1 кг сухого повітря, що становить 0,013 кг на 1 м³ сухого повітря). Теоретичний об'єм водяної пари

V=

Водяна пара в продуктах згоряння сильно перегріта, бо її парціальний тиск малий, а температура висока. Припустивши, що водяна пара підлягає законові Авогадро, значення густини виводять, поділяючи молекулярну вагу Н2О на об'єм моля за нормальних умов:

==0б804 кг/м³

Такий розрахунковий спосіб цілком припустимий, хоча водяна пара при 0 °C і 760 мм рт. ст. існувати не може, отже,

V==0,111H+0,0124W+0,0161V м/кг (22)

Об'єм сухих газів при? > 1 дорівнює:

Vcµ.г. = Vc.г. +(? -1) V° м³ /кг (23)

де (?-1) V°-кількість зайвинного повітря. Відповідно

Vн2о = V° н2о + 0, 0161 (? -1) V° м³ /кг (24)

Сумарний об'єм газів

Vг = VRO2 +V°N2 + Vн2о + (? — 1) V⁰ м³ /кг (25)

Об'ємні частки триатомних газів і водяної пари відповідно дорівнюють:

r= і r=,

а парціальний тиск їх

p=p і p=p

де р — загальний тиск продуктів згоряння. Концентрація леткої золи в димових газах

p г/м (26)

де авин — частка золи палива, що виноситься димовими газами. Вага димових газів

G=1-+1,306?V кг/кг (27)

При паровому дутті або паровому розпилюванні рідкого палива (у невеликих установках), визначаючи об'єм і вагу димових газів, треба ураховувати кількість пари (W).

Об'єми повітря і продуктів згоряння при спалюванні газоподібного палива визначають аналогічно, на підставі стехіометричних співвідношень:

V=0, o476 [0,5CO+0,5H+? (m+) CH+1,5HS?O] м/ м (28)

V=0,01 [CO+CO+?mCH+HS] м/ м; (29)

V=0,79V+0,01N; (30)

V=0,01 [H+?CH+HS+0,124d]+0,0161Vм/м. (31)

Тут СО, Н, N і т.д. — компоненти газового палива в об'ємних процентах; d-вологовміст газового палива в грамах на 1 м³ сухого газу.

Об'єми продуктів згоряння при ?> 1 визначаються за раніше наведеними формулами.

2.4 Розрахунки, які провадять за даними аналізу продуктів згоряння

Аналіз палива і продуктів його згоряння провадять під час випробування котельних агрегатів.

Застосовують переносний хімічний газоаналізатор, за допомогою якого поглинанням відповідними реактивами (водним розчином їдкого калію і розчином їдкого калію в пірогаловій кислоті) визначають об'ємний процентний вміст RО і О у сухих газах. Цими даними користуються для визначення Vс.г., характеристики палива, визначення СО і ?.

Визначення Vс. г — Склад сухих продуктів повного згоряння палива визначають за формулою

Vс.г = V + V +V, (32)

або в процентах за об'ємом:

RO+ О + N =100% (33)

де RО=100 — об'ємний процент RО у сухих димових газах.

Звідси V=100.

Підставивши значення, V з (19), матимемо:

V =1,86 м³ /кг (34)

Якщо в продуктах згоряння є СО, легко визначити

V=1,86 (35)

Характеристика палива. Визначення СО. Якщо з лівої частини рівності (33) виключити N, користуючись відомим об'ємним співвідношенням у повітрі, яке дорівнює можна за допомогою перетворень прийти до такого співвідношення:

21 —? RО — (RО+ О) = О, (36)

де

?=2,37+0,0605 (37)

B характеризує склад горючої маси палива і не залежить від зольності Авологості W і коефіцієнта зайвини повітря ?. Тому B називають характеристикою горючої маси палива (скорочено — характеристикою палива).

Рівність (36) відбиває зв’язок між компонентами димових газів RО і О при повному згорянні палива і характеристикою палива.

У загальному випадку при великій неповноті згоряння в димових газах, крім RО, О і N, будуть неповні окисли (СО) і горючі гази у вільному вигляді (Н, СН, СmНn). Проте при задовільній роботі топок помітних кількостей Н, СН і т.д. в димових газах не буває. Тому досить розглянути більш реальний випадок — наявність у продуктах згоряння окису вуглецю. Тоді склад сухих газів запишемо так:

RO+СО+O+N=100%. (38)

Якщо тепер, аналогічно до попереднього, з (38) виключити N, то можна дістати таке співвідношення:

21 —? RO — (RO + O) = (0,605 + ?) СО. (39)

З (39) дістанемо

CO= (40)

Таким чином, операцію аналізу газів можна спростити (визначати тільки RO і RO + O). Це зручно тим, що реактив для поглинання СО насичується значно швидше, ніж реактив для поглинання RO і O. Проте розрахункове визначення СО3 (40) може дати надійні значення СО тільки в разі незначної неповноти згоряння (якщо кількість СО становить десяті частки процента).

При значній неповноті згоряння треба робити повний хімічний аналіз димових газів.

Визначення ?. Знаючи склад продуктів згоряння, можна визначити коефіцієнт зайвини повітря? у будь-якому місці газового тракту. Формули для? виводять з раніше наведених співвідношень.

При повному згорянні

? =, (41)

де O і N-об'ємний процентний вміст кисню і азоту в сухих газах (N=100 — RO — O).

При наявності СО

? = (42)

2.5 Визначення ентальпії продуктів згоряння

Результати газових розрахунків використовуються для обчислення ентальпії і (тепловмісту) продуктів згоряння палива. Ентальпію визначають за формулами загального вигляду

i=V або і =?V.

Виражається вона в кДж на 1 кг твердого і рідкого палива або |в кДж на 1 м³ газоподібного палива.

Ентальпію газів при? = 1 і температурі С у котельних розрахунках визначають за формулою:

i=V()+V () +V () (43)

Ентальпія повітря при? = 1

i= i+(?-1) i кДж/кг або кДж/м (44)

При? > 1 ентальпія продуктів згоряння

іг = і°г + (? — 1) і°п кДж/кг або кДж/м³. (І-45)

Величину i визначають для різних значень і ?, потім одержані значення зводять у таблицю i. Крім того, доцільно на підставі цих обчислень побудувати криві залежності і від для кількох значень ?. Такий графік називається і — діаграмою.

3. Тепловий баланс котельного агрегату

3.1 Рівняння теплового балансу

Кількість теплоти, що вноситься в агрегат, дорівнює сумі використаної теплоти і теплових втрат. Складання теплового: балансу котельного агрегату полягає в установленні цієї рівності. Тепловий баланс складається на 1 кг твердого або рідкого палива і на 1 м³ газового палива для усталеного режиму роботи; агрегату, тобто для такого теплового стану, коли температура в будь-якій точці агрегату не є функцією часу. Це відповідає тривалій роботі агрегату при постійному навантаженні і постійних режимних умовах (тиску, зайвини, повітря, якості палива і т. п.).

Рівняння теплового балансу котельного агрегату має тепер такий вигляд:

Q= Q + Q +Q+ Q4 +Q+ Q кДж/кг або кДж /м³. (46)

У лівій частині рівняння Q-так звана наявна, або розраховувана, теплота, що визначається за формулою:

Q = Q+ Q +Q+ Q — Q кДж/кг або кДж/м³, (47)

де Q — нижча теплота згоряння робочого палива; Q — фізична теплота палива; Q-теплота, внесена повітрям, підігрітим зовні котельного агрегату; Q — теплота, внесена (через форсунки) парою, яка застосовується для розпилювання рідкого палива, або паровим дуттям; Q — теплота, що витрачається на розкладання карбонатів.

У котельних установках, як правило, не підігрівають повітря зовні котельного агрегату. У великих агрегатах не застосовують парового розпилювання мазуту і парового дуття. Теплоту розкладу карбонатів треба враховувати тільки при спалюванні сланців.

Основною складовою наявної теплоти завжди е теплота згоряння палива Q. У деяких випадках (при розімкнутій схемі сушіння палива, при паровому підігріванні мазуту) треба враховувати і фізичну теплоту палива Q визначається за формулою:

Q = кДж/кг або кДж/м³, (48)

депитома (відповідно масова чи об'ємна при постійному тиску) теплоємність палива; tпл-його температура, °С.

Якщо взяти Qp за 100%, то тепловий баланс можна визначити в процентах:

100 = q+ q+ q+ q+ q+ q%, (49)

де q= 100%.

У 100%-ну наявну теплоту (раніше за 100% вважали лише потенціальну «платну» теплоту палива Q) не входить фізична теплота холодного повітря, що надходить в агрегат. Це холодне повітря перенесено із знаком мінус у праву частину рівняння (46) і враховано у величині Q.

Права частина рівняння теплового балансу є сумою використаної в агрегаті (в економайзері, котлі і перегрівнику) теплоти Q і теплових витрат: Q — з відхідними газами; Q-від хімічної неповноти згоряння; Q-від механічної неповноти згоряння; Q-у навколишнє середовище (від зовнішнього охолодження) і Q — фізичною теплотою шлаків і на охолодження панелей і балок, не включених у циркуляцію котла.

Таким чином, тепловий баланс характеризує загальну економічність роботи котельного агрегату і теплові втрати.

3.2 Теплота, що використовується в котельному агрегаті

Корисною називається теплота, що використовується для підігрівання води, яка надходить в агрегат, до температури кипіння, з метою перетворення її в насичену пару і для перегрівання пари. У загальному випадку годинна кількість використаної теплоти визначається за формулою:

Q=D (і-і)+D (і-і)+D-і)+D (і-і) кДж/кг, (50)

де D, D, D, D-відповідно кількість виробленої перегрітої пари; відданої, крім перегрівника, насиченої пари; видаленої з котла продувної води; перегрітої у вторинному перегрівнику пари, кг/год; і, і, і, і, і, і — ентальпія перегрітої пари, насиченої пари, води при температурі кипіння в котлі, живильної води перед водяним економайзером, пари вторинного перегріву на виході і вході в перегрівник. Щоб добути Q, треба поділити кількість теплоти Q на годинну витрату палива В:

Q = кДж/кг (51)

Відношення використаної в агрегаті теплоти до наявної називається коефіцієнтом корисної дії котельного агрегату (брутто):

?==, (52)

к. к. д. у процентах:

q=?· 100%=·100% (53)

Економічність великих енергетичних котлоагрегатів дуже висока. Їх к. к. д. становить? ка =0,88−0,94. К. к. д. дрібних котлів значно нижчий і може бути в межах до 0,6−0,7. К. к. д. котлоагрегату змінюється із зміною навантаження; звичайно максимум к. к. д. відповідає 75−85% номінальної видатності котлоагрегату. Під час випробування котельного агрегату шуканою величиною є коефіцієнт корисної дії. Його можна дістати прямим вимірюванням витрат палива, води, пари, тиску й температури води й пари і визначенням Q. У цьому разі? визначається за формулою (52). Можна й інакше знайти — ?, визначивши його як різницю між одиницею і сумою виражених у частках одиниці теплових втрат, знайдених відповідними вимірюваннями (складу й температури відхідних з агрегату газів, аналізів шлаку й золи та ін.). При проектуванні котлоагрегату к. к. д. агрегату або задається, або обчислюється за даною температурою відхідних газів ?від і прийнятим на підставі рекомендацій, які подаються в нормах теплового розрахунку котлоагрегатів, значенням теплових втрат і коефіцієнту зайвини повітря у відхідних газах? за формулою:

? =1- (54)

Потім визначають годинну витрату палива:

В= (55)

Обчислюючи к. к. д., не враховують витрат енергії на власні потреби котлоагрегату (живильні, тягодуттьові, пилоприготувальні, обдування поверхонь нагріву тощо).

К. к. д. котельного агрегату, визначений з урахуванням витрати теплоти і електроенергії на власні потреби, називається к.к.д. нетто:

? =? — ??, (56)

де ?? — сумарна витрата енергії на власні потреби, віднесена до наявної теплоти і виражена в частках одиниці. Поняттям? н. т користуються значно рідше, ніж? .

3.3 Втрати теплоти

Втрати теплоти з відхідними газами найбільші з усіх теплових втрат в котлоагрегаті. Величина q становить у великих агрегатах 4−8%, а в дрібних котлах 10−20%. Ця втрата відбувається тому, що продукти згоряння палива залишають агрегат при високій температурі (у великих агрегатах 115−150° С, а в дрібних — при ще вищій).

Формула для визначення Q виведена на основі законів термодинаміки хімічних реакцій Гесса і Кірхгофа, має такий вигля

Q =?(-t)-(t — t) (57)

Тут

?=,

де івідповідно об'єм і питома теплоємність триатомних і двоатомних газів; -об'єм повітря, що відповідає коефіцієнтові зайвини повітря у відхідних газах? від; - питома теплоємність повітря; -температура відхідних газів; t — температура холодного повітря, яке надходить в агрегат; t— температура теплоти згоряння палива.

З формули (57) виводять окремі формули для Q. Якщо теплоту згоряння взято при температурі повітря, що надходить в агрегат, тобто, t= t то

Q =?(-t) (58)

Якщо прийнято, що t = 0° С, то

Q =?- t (59)

Q = і — і. (60)

При теплових розрахунках котельних агрегатів користуються другою окремою формулою, записуючи її в такому вигляді:

Q = і-?і (61)

Тут і — ентальпія відхідних газів при зайвині повітря? від і температурі, і — ентальпія теоретичної кількості холодного повітря, що надходить в агрегат,

q=100=100% (62)

При механічно неповному горінні в формули для Q і q вводиться поправка, яка враховує зменшений через механічний недопал об'єм продуктів згоряння. У цьому випадку

q= (100-q)% (63)

Як видно з наведених формул, основними факторами, що визначають втрату Q, є об'єм і температура відхідних газів. Об'єм газів у свою чергу залежить від коефіцієнта зайвини повітря у відхідних газах? =? +??, де? — коефіцієнт зайвини повітря в топці, а ?? — коефіцієнт присосу повітря в агрегаті через нещільності обмурівки в газоходах, що працюють під розрідженням.

Тому агрегат повинен працювати не тільки з мінімальним ?т, який забезпечує достатню повноту згоряння палива, а й з мінімальними присосами повітря.

У той самий час для зменшення Q і q і відповідно збільшення ?к.а потрібне глибоке охолодження газів в агрегаті. Межа доцільної глибини охолодження продуктів згоряння визначається техніко-економічними розрахунками, бо при дуже глибокому охолодженні газів сильно зростають розміри теплосприймаючої поверхні нагріву. Чим вище вартість палива, менше його вологість і більше годин використовується агрегат, тим нижча оптимальна температура відхідних газів. У великих котлоагрегатах при спалюванні маловологого палива температура відхідних газів становить 115−130°С.

Втрата теплоти від хімічної неповноти згоряння визначається сумарною теплотою згоряння продуктів неповного горіння, що містяться у відхідних газах. Як уже зазначалось, при оптимальному процесі спалювання продуктів горіння у них може бути деяка кількість окису вуглецю.

Під час проектування величина q встановлюється залежно від виду палива і типу топкового обладнання, відповідно до рекомендацій, які наводяться в нормах теплового розрахунку котельних агрегатів.

У процесі випробування діючого агрегату q визначають з даних аналізу продуктів згоряння. Для найпоширенішого випадку наявності в димових газах тільки СО розрахункову формулу для Q дістають з таких співвідношень:

V=Vм/кг;

кДж/ м;

кДж/ м; (64)

При механічно неповному згорянні у формулу для Q вводять поправку q аналогічну до поправки для Q.

Q виникає через незадовільне використання кисню повітря внаслідок недосконалого перемішування палива з повітрям і незадовільну аеродинаміку топки. Крім того, можуть бути й інші причини: недостатня загальна кількість повітря, низька температура топки тощо.

У топках раціональної конструкції при нормальній їх експлуатації q становить менше ніж 1%.

З інших однакових умов із зростанням коефіцієнта зайвини повітря в топці, починаючи з ?=1, втрата q зменшується. В той самий час із зростанням? зростає втрата q.

Якщо дослідним способом визначити залежність суми q + q від ?, то можна знайти таке значення ?, яке відповідає мінімуму суми втрат з відхідними газами і від хімічної неповноти згоряння.

Втрати теплоти від механічної неповноти згоряння. При спалюванні твердого палива шлак і провал, що видаляються з топки, а також летка зола, що виноситься в газоходи, містять певну кількість горючих речовин (вуглецю). Тому в загальному випадку втрати Q дорівнюють сумі. У камерних топках провалу немає, і для них Q=.

Аналогічно до q під час проектування величину q оцінюють на підставі нормативних матеріалів. Під час випробування Q визначають за формулою

кДж/кг (65)

де і ?-частинки золи палива у шлаку, провалі та у виносі; Г і Г-вміст горючих у шлаку і провалі та у виносі в%, він визначається в лабораторії.

Величина q залежить від властивостей палива (зольності, наявності дріб'язку, виходу летких речовин, спікливості), типу топки (камерна, шарова, механічна, ручна), режиму процесу спалювання і коливається в широких межах — від 1−2% у великих камерних топках до 10−15% у дрібних установках. При наявності q4 оптимальне значення? т відповідає мінімумові суми втрат q + q + q.

У тепловому розрахунку при визначенні об'ємів і ентальпій продуктів згоряння поправка на механічну неповноту згоряння не вноситься. Для визначення сумарних об'ємів продуктів згоряння, що рухаються в газоходах котлоагрегату, вводять розрахункову витрату палива В. що визначається з урахуванням q за формулою:

(66)

де В — дійсна витрата палива, яка обчислюється за формулою (55).

Втрата в навколишнє середовище (від зовнішнього охолодження). Втрата q тим менша, чим більша одинична видатність агрегату. Для даного агрегату втрата q зменшується із зростанням його навантаження. При часткових навантаженнях q можна визначити із співвідношення:

(67)

де D-номінальна видатність агрегату; q — втрати від зовнішнього охолодження при D.

Для потужних енергетичних котлоагрегатів величина q дуже мала і становить частки процента (0,2−0,3%).У дрібних установках q може досягти 3−4%. Величина q оцінюється на підставі графіків або табличних даних, які наводяться в нормативних матеріалах і довідковій літературі.

Втрата з фізичним теплом шлаку здебільшого невелика. В тих випадках, коли її слід ураховувати (наприклад, при рідкому шлаковидаленні), вона визначається за звичайними формулами для обчислення ентальпії речовини. Ще рідше доводиться ураховувати втрату на охолодження панелей і балок, не включених у циркуляцію котла.

4. Конструкції топок

4.1 Шарові топки

У топках з шаровим спалюванням палива основними трудомісткими робочими процесами є: завантаження палива на решітку; прошуровування (просування, розрівнювання) шару палива; видаляння шлаку.

Залежно від ступеня механізації цих процесів розрізняють топки з ручним обслуговуванням, топки з частковою механізацією і механічні шарові топки. Раніше у невеликих котельних установках, устаткованих котлами потужністю до 10 т пари на годину, застосовувались майже винятково шарові топки з ручним обслуговуванням. Останнім часом в цих установках широко застосовуються топки з частковою або комплексною механізацією трудомістких процесів. Зараз розроблено і опробовано недороге і ефективне топкове обладнання, що дає можливість в невеликих установках полегшити працю обслуговуючого персоналу і досягти високого коефіцієнта корисної дії топки.

Шарова топка походить від найпростішого типу топки — нерухомої горизонтальної колосникової решітки з ручним обслуговуванням.

Широке застосування її в малих установках пояснюється простотою, надійністю і дешевизною, універсальністю щодо можливості спалювання різноманітних видів твердого палива, високою стійкістю процесу горіння.

Принципова схема ручної шарової топки з горизонтальною колосниковою решіткою показана на мал. 4−1. Решітка складається з 4-х рядів нерухомих колосників 3, на яких лежить паливо. Колосники виготовляють або у вигляді чавунних плиток (плиткові), або у вигляді брусків (брускові, балочні). У зольник (піддувало) 4 вентилятором нагнітається повітря, яке крізь отвори або щілини в колосниках і між ними, тобто крізь живий переріз решітки, надходить у шар палива. Зараз застосовують колосникові решітки з малим живим перерізом, що становить менш як 15% площі решітки. Над решіткою розміщений топковий простір 2, а над ним — променесприймальна поверхня нагріву 1. Свіже паливо вручну закидається на шар гарячого палива через завантажувальний (шурувальний) отвір 5. Завантажувальні дверці 6 закріплюються на рамі, з'єднаній з каркасом котла. Шлак видаляється в зольник, для чого установлюється кілька перекидних (поворотних навколо горизонтальної осі) колосників.

Ручні горизонтальні топки мають багато недоліків: потребують застосування важкої фізичної праці для обслуговування; працюють періодично; мають невисокий к.к.д. топки; через обмежену довжину колосникових решіток утруднюється можливість їх застосування навіть під невеликими котлами; при одиничній видатності (понад 5 т пари на годину) обмежена питома потужність решітки; висока чутливість до фракційного складу палива (за розмірами кусків); низька видатність і економічність під час роботи на паливі з великим вмістом дріб'язку; працюють з підвищеним коефіцієнтом зайвини повітря в топці, що зумовлює значну втрату теплоти з відхідними газами.