Тепловой баланс котельного агрегата

 

Тепловой баланс котла характеризуется равенством между количествами подведенной (располагаемой) и расходуемой теплоты:
Q_p^p = Q_расх.

Для удобства расчетов учитывают только основную составляющую располагаемой теплоты Q_p^p, а именно величину теплоты сгорания Q_н^p. Уравнение теплового баланса для 1 кг или 1 м³ сжигаемого (израсходованного) топлива имеет вид

Q_р^р = Q_н^р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆, (12.1)

где Q_р^р – располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³; Q_н^р – низшая теплотворная способность топлива; Q₁ – полезно использованная теплота (переданная воде и пару); Q₂ – потеря теплоты с уходящими газами; Q₃ – потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива; Q₄ – потеря теплоты от механической неполноты горения (в провале, шлаке, уносе); Q₅ – потеря теплоты всеми элементами котельного агрегата в окружающую среду; Q₆ – потеря с физической теплотой шлаков.

Тепловой баланс в процентах от теплоты сгорания Q_н^р:

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆. (12.2)

При конструктивном расчете величины q₃, q₄ и q₅ задаются на основе имеющихся рекомендаций, а теплопотери q₂ определяют по температуре отходящих газов в пределах 120–170ºС.

Полезно используемую теплоту Q₁ можно определить по формуле

Q₁ = G_п(h_пе – h_пв), (12.3)

где h_ne – энтальпия перегретого пара; h_nв – энтальпия питательной воды.

Коэффициент полезного действия котельного агрегата (КПД) без учета собственных нужд котельной (брутто):

ηка = q₁ = Q₁/Q_нр. (12.4)

Часовой или секундный расход топлива:

B = G_п · (h_пе – h_пв)/(Q_н^р · η_к). (12.5)

Если учесть расход продувочной воды G_пв и количество насыщенного пара G_п, отдаваемого для внешнего потребления или собственных нужд котельной, то КПД котельного агрегата нужно подсчитывать по формуле

η_ка = G_п(h_пе – h_пв) + G_п(h´´_н – h_пв) + G_пр(h´ – h_пв)/B · Q_н^р, (12.6)

где h´´ – энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг; h´ – энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг.

 

 

Топливо для теплоэнергетических установок

И основы теории горения

Топлива для котельных агрегатов подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. В зависимости от происхождения все виды топлива делятся на естественные и искусственные. К естественному топливу относится топливо, добываемое из недр земли (нефть уголь, торф, древесина и т.д.). Искусственное топливо получают в результате термической или механической обработки природного топлива. На предприятиях АПК используют природный газ, мазут и различные виды каменных углей.

Характеристика топлива

Твердое и жидкое топливо состоит из сложных органических и минеральных соединений, составляющих горючую и негорючую части топлива. В составе горючей части топлива углерод (С), водород (Н) и сера (S_л), входящая в состав органических соединений и серного колчедана.

В негорючей части топлива – азот (N), кислород (O), влага (W), минеральные негорючие вещества и часть серы, входящей в минеральные соли (F). После сгорания топлива эти вещества образуют золовой остаток.

Элементный состав 1 кг твердого и жидкого топлива имеет вид

C + H + S_л + O + N + W + A = 100%. (12.7)

В формуле содержание компонентов топлива задается в процентах.

Различают рабочую – Р, сухую – С, горючую – Г и органическую – О массы твердого и жидкого топлива.

Топливо, которое подвергается сжиганию, называется рабочим, а его масса рабочей. Элементный состав рабочей массы определяют по формуле

C^р + H^р + S_л^р + O^р + N^р + W^р + A^р = 100%. (12.8)

В теплотехнических расчетах используется рабочая масса топлива.

Сухая масса топлива в отличие от рабочей массы не содержит влаги, и ее элементный состав определяют по формуле

C^с + H^с + S_л^с + O^с + N^с + A^с = 100%. (12.9)

В горючем составе топлива отсутствует балласт, его элементный состав определяют по формуле

C^г + H^г + S^о + O^о + N^о = 100%. (12.10)

Органическая масса топлива состоит из следующих элементов

C^о + H^о + S_л^г + O^г + N^г = 100%. (12.11)

В состав топлива также входит некоторое количество примесей: водяные пары, пыль, смолы. Состав газообразного топлива задается в объемных долях. Все расчеты проводят на нормальный кубический метр сухого газа. Содержание примесей в газообразном топливе задается в г/нм³сухого газа. Состав газообразного топлива определяется по формуле

. (12.12)

Физико-химические свойства и теплотехнические характеристики газового топлива и его продуктов сгорания определяют по углеродному числу:

. (12.13)

Теплота сгорания топлива

Основной характеристикой любого топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания – это количество тепла, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива.

Теплоту сгорания определяют в калориметрической бомбе. Расчетным путем теплоту сгорания определяют по формуле Д.И. Менделеева

Q_в^р = 340C^р + 1260H^р – 109(O^р – S^р). (12.14)

Q_н^р = 340C^р + 1035H^р – 109(O^р – S^р) – 25W^р. (12.15)

По формуле (12.14) определяется высшая теплотворная способность, а по формуле (12.15) низшая теплотворная способность жидкого или твердого топлива.

Низшую теплотворную способность (сухого газа, кДж/м³) можно определить по формуле

Q_н^с = 358СH₄ + 640C₂H₆ + 915C₃H₈ + 1190C₄H₁₀ + 1465C₅H₁₂ +

+ 126,5CO + 107,5H₂ + 234H₂S. (12.16)

Высшая теплотворная способность сухого газа определяется по формуле

Q_в^с = 398СH₄ + 700C₂H₆ + 995C₃H₈ + 1285C₄H₁₀ + 1575C₅H₁₂ +

+ 126,5CO + 127,5H₂ + 257H₂S. (12.17)

Теплоту сгорания природного газа определяют по формулам, предложенным Г.Ф. Кнорре:

Q_в^с = 29307,6n + 10048,32. (12.18)

Q_н^с = 27423,54n + 8673,6, (12.19)

где n– углеводородное число, определяемое по формуле (12.13).

Для сравнения различных видов топлива по их теплотворной способности используется понятие условного топлива. Условное топливо – это топливо, теплота которого принята равной 29300 кДж/кг.

Уравнение материального баланса

Горение топлива – это процесс окисления горючих компонентов топлива кислородом воздуха и топлива, сопровождающийся выделением тепла, света и ростом температуры. Целью расчета результата сгорания топлива является определение состава продуктов сгорания и их средней температуры.

Если топливо задано составными элементамиС_т, Н_т, S_т, О_т, выраженными в долях 1 кг, то теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива равно:

Lmin = (1/0,232)(8C^р/3 + 8H^р + S^р – O^р), кг возд./кг топл. (12.20)

Объемное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, определяется по формуле

Vm = Lmin/ρ, кг возд./кг топл., (12.21)

где ρ – плотность воздуха, кг/м³.

Газообразное топливо задается обычно объемными составляющими компонентов (H₂)_m, (CO)_m, (CH₄)_m, (H₂S)_m, (CO₂)_m, (H₂O)_m.

Необходимый для сжигания 1 нм³ газообразного топлива теоретический объем воздуха в нм³ равен:

V_T = [0,5(CO)_m + 0,5(H₂)_m + 2(CH₄)_m + (m + n/4)(C_mH_n) +

+ 1,5(H₂S)_m – (O₂)_m]/0,21. (12.22)

Отношение фактического количества воздуха L_д, расходуемого для сгорания топлива, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха α.

α = Lд/Lmin. (12.23)

В зависимости от величины α происходит полное и неполное сгорание топлива. Полное сгорание топлива происходит при α ≥ 1. При этом образуются продукты полного окисления СО₂, Н₂О, SO₂ и N₂. Неполное сгорание происходит, если α < 1 и при этом образовавшиеся газы содержат продукты неполного окисленияСО, Н₂, SO и N₂.

Суммарный объем образовавшихся газов определяется по формуле

V_г = V_RO2 + V_N2^O + V_H2O^O + 1,061V^O(α – 1), (12.24)

где V_RO2 = 1,87(C_m + 0,375S_m); V_H2OO = 0,111H_m + 0,0124W^m + 1,24W^ф + + 0,0161V_m; V_N2O^O = 0,79V_m + 0,8N_m.

Количество трехатомных газов CO₂ и SO₂ в продуктах горения:

V_RO2 = [(CO₂)_m + (CO)_m + (CH₄)_m + m(C_mH_n)_m + (H₂S)_m +

+ (SO₂)_m]/100, нм³/нм³; (12.25)

количество водяных паров:

V_H2O = [(H₂)_m + 2(CH₄)_m + (n/2)(C_mH_n)_m + (H₂S)_m +

+ (H₂O)_m]/100, нм³/нм³; (12.26)

количество свободного кислорода:

V_O2 = 0,21(α – 1)V_min, нм³/нм³; (12.27)

количество азота:

V_N2 = 0,79α V_min + 0,01(N₂)_m, нм³/нм³. (12.28)

При сгорании смеси твердого и жидкого топлива с α < 1 углерод из-за недостатка кислорода сгорает не полностью и в продуктах сгорания дополнительно содержится СО. Объем сухих продуктов определяется следующим образом:

V_сг = V_RO2 + V_CO + V_O2 + V_N2. (12.29)

При полном горении чистого углерода и α = 1 продукты сгорания содержатСО₂ и N₂. В ископаемых топливах всегда содержится водород, поэтому всегда меньше 21%. В этом случае максимальное содержание трехатомных газов в продуктах сгорания определяют по формуле

= 21/(1 + β), (12.30)

где β – топливная характеристика, которую определяют по формуле

. (12.31)

Значения и β для каждого вида топлива определенного состава имеют постоянные значения (табл. 12.1).

Количество окиси углерода определяется по формуле

(СО)₂ = [(21 – βRO₂) – (RO₂ + O₂)]/(0,605 + β). (12.32)

Объем сухих газов определяется по формуле

V_сг = 1,87(Сm + 0,375S_m)/(RO₂ + CO). (12.33)

Таблица 12.1

Значения и β для некоторых видов топлива

Величина	Топливо
Мазут	Торф	Донецкий уголь АР	Кузнецкий уголь ОС	Подмосковный уголь Б2Р
, %	16,1	19,5	20,2		19,4
β	0,301	0,077	0,04	0,107	0,084

 

При неполном сгорании газообразного топлива в продуктах сгорании образуются H₂, CO, CH₄. Объем сухих продуктов определяется по формуле

V_cг = RO₂ + V_CO + V_O2 + V_N2 + V_CH4 + V_H2. (12.34)

Основную часть составляет окись углерода, а содержание H₂, CH₄ невелико.

Содержание окиси углерода определяют по формуле (12.33), при этом величину топливной характеристики β определяют по справочным данным.

 

Объем сухих продуктов сгорания:

V_сг = (СO₂ + CH₄ + 2C₂H₆ + 3C₃H₈)/(RO₂ + CO). (12.35)