<< Пред. стр. 1 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
СОЛОВЬЕВ А.А.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ПО КУРСУ "КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ"
(Часть 1)
(для студентов специальности 7.090510 - Теплоэнергетика)
МАРИУПОЛЬ 2005
УДК 621. 18. 001.4 (072)
Конспект лекций по курсу "Котельные установки промышленных
предприятий". Часть 1 (для студентов специальности 7.090510 - Теплоэнергетика).
/ Сост.: Соловьев А.А. - Мариуполь: ПГТУ, 2005- 105 с.
Представлена первая часть конспекта лекций. Конспект лекций предназначен
для изучения курса "Котельные установки промпредприятий" и составлен на
основе научно-технической литературы, рекомендуемой для студентов дневной
и заочной форм обучения по специальности "Теплоэнергетика".
Составил: Соловьев А.А., доц., к.т.н.
Отв. за выпуск Евченко В.Н., доц., к.т.н.
1 ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ЕЕ РАБОТА
Научно-технический прогресс, интенсификация производства, повышение его технического уровня и улучшение условий труда в значительной мере определяются развитием энергетики.
В промышленности используется более 50 % всех видов энергоресурсов, в том числе до 65 % вырабатываемой электроэнергии. Соответственно большой роли энергетики в промышленном производстве, современные промышленные предприятия имеют сложные и многообразные энергетические системы, состоящие из комплексов установок и устройств, предназначенных для сжигания топлива и производства, транспорта, распределения и потребления электроэнергии, теплоты, сжатого воздуха, газа, кислорода.
В настоящее время на тепловых паротурбинных электростанциях вырабатывается более 80% электроэнергии, в качестве основных теплоносителей в промышленности и в быту используются пар и подогретая паром или продуктами сгорания горячая вода, получаемые в котельных установках (котлах). Широкое применение пара для производства электроэнергии, в технологических процессах и в быту определяет использование в котлах более 25 % вcегo добываемого топлива. Количество котельных установок различного назначения, конструкций и мощности в СНГ составляет более 100 тыс. В зависимости от назначения на промышленных предприятиях применяются автономные производственные и отопительные котельные на органическом топливе (рис.1.1, а) и котлы, использующие теплоту отходящих газов и другие тепловые отходы технологических агрегатов (рис.1.1,б), а также котельные установки промышленных электростанций (рис.1.2).
1.1Работа водяного тракта
Питательная вода с помощью питательного насоса 1 подается на котел. Сначала вода поступает в приемный коллектор 2 водяного экономайзера 3. Из коллектора вода распределяется по змеевикам расположенным горизонтально, в которых вода подогревается с помощью тепла отходящих продуктов сгорания. Из водяного экономайзера питательная вода через выходной коллектор 2 по трубопроводам поступает в барабан 4. В барабане питательная вода смешивается с котловой водой и поступает в опускные трубы 5, которые расположены вне топки котла и не обогреваются. По опускным трубам вода поступает в нижние коллектора 6, в которых происходит распределение воды по экранным трубам. Обычно каждый экран имеет свой нижний коллектор. Нижние коллектора предназначены для проведения периодической продувки котла, т.е. удаления осадков и взвесей. Из нижних коллекторов вода поступает в экранные трубы 7, располагаемые на внутренних стенках топки. Вследствие интенсивного обогрева экранных труб в них происходит частичное парообразование и образуется пароводяная смесь, которая движется вверх за счет напора, создаваемого силами естественной циркуляции. Движущий напор естественной циркуляции возникает за счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси в экранных трубах. Пароводяная смесь из экранных труб поступает в водяной объем барабана, где происходит разделение воды и пара. Пар проходит зеркало испарения и поступает в паровой объем барабана, где расположено сепарационное устройство, предназначенное для отделения влаги из пара. Сухой насыщенный пар из барабана, через патрубок верхней его части поступает пароперегреватель 8, который может иметь несколько ступеней. В пароперегревателе происходит перегрев пара за счет теплоты излучения из топки уходящих продуктов сгорания. Перегретый пар поступает в выходной паропровод 9 и затем к потребителю.
1.2 Топливный тракт
При сжигании угольной пыли, котел оборудуется системой топливоприготовления. Уголь, поступающий со склада, подвергается дроблению, удалению механических и деревянных предметов и подается в мельницу, где происходит его дробление до пылевидного состояния. Готовая угольная пыль поступает на горелки 14 (обычно топливо подается с помощью горячего воздуха). Воздух отбирается из атмосферы через воздухозаборник 10 и с помощью дутьевого вентилятора 11 подается в воздухоподогреватель 12. По трубам воздухоподогревателя проходят продукты сгорания, а воздух циркулирует в межтрубном пространстве. Горячий воздух по воздуховоду 13 поступает в систему топливоприготовления (для сушки и транспортировки) и на горелочное устройство 14 в качестве окислителя. Топливно-воздушная смесь, выходящая из горелки, сгорает в топке 15 в виде факела. Теплообмен в топке происходит за счет излучения, в результате чего, в экранных трубах образуется пароводяная смесь. Продукты сгорания поднимаются и поступают в горизонтальный газоотвод 16, где отдают свою теплоту пароперегревателю. Затем поступают в опускную шахту (газоотвод) 17, где расположены хвостовые поверхности котла водяного экономайзера и воздухоподогревателя. Продукты сгорания отдают свою теплоту воде и воздуху. Затем продукты сгорания поступают в золоуловитель 19 и дымососом 20 выбрасывается в дымовую трубу 21.
Дымосос предназначен для разряжения давления топки и удаления продуктов сгорания из котла.
Дымовая труба предназначена для удаления продуктов сгорания на достаточную высоту с целью поддержания допустимых концентраций оксида серы и азота в атмосферу.
Рисунок 1.1 - Автономная котельная установка промышленного предприятия
а - на органическом топливе;
б - c использованием теплоты отходящих газов и другие
тепловые отходы технологических агрегатов.
1 - котел; 2 - паровая турбина; 3 - конденсатор; 4 - насос; 5 - подогреватель воды низкого давления;
6 - деаэратор; 7-подогреватель воды высокого давления.
Рисунок 1.2 - Котельная установка в системе промышленной ТЭЦ
1 - вагон с топливом; 2 - бункер разгрузочного устройства; 3 - дробильный блок; 4 - бункер котла для сырого топлива; 5 - мельница для размола топлива; 6 - эксгаустер; 7 - барабан котла; 8 - пароперегреватель; 9 - экономайзер; 10 - воздухоподогреватель; 11 - вентилятор; 12 - деаэратор; 13 - питательный насос; 14 - золоуловитель; 15 - дымосос; 16 - дымовая труба; 17 - ленточный транспортер; 18 - штабель угля; 19 - багерная насосная системы золоудаления; а - питательная вода; б - перегретый пар; в - продукты сгорания; г - шлак и зола
Рисунок 1.3 -Технологическая схема котельной установки, работающей на твердом топливе
2 ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Источником энергии для котельных установок различного назначения на промышленных предприятиях являются природные и искусственные топлива, в твердом, жидком и газообразном состояниях и т.п.
В настоящее время и на обозримую перспективу основным источником первичной энергии для котельных установок промышленных предприятий является органическое топливо.
В котельных установках промышленных предприятий в качестве твердого топлива применяются различные угли:
а) бурые МДж/кг, %;
б) каменные МДж/кг, %;
в) антрациты МДж/кг, %;
д) полуантрациты МДж/кг, %;
з) горючие сланцы МДж/кг, %;
к) торф МДж/кг, %.
Используется также промпродукт - высокозольные отходы углеобогащения и шлам, образующийся при мокром обогащении углей %).
Применяются различные заменители твердого топлива - брикеты из угля , брикеты из торфа , городской мусор и другие отходы.
На промышленных предприятиях в котельных установках в качестве жидкого топлива продолжает ещё использоваться мазут - остаточный продукт нефтепереработки . В соответствии с ГОСТ 10585-75 применяются топочные мазуты марок 40 В с государственным знаком качества и 40,100 В с государственным знаком качества и 100.
2.1 Газообразное топливо
Газообразное топливо - это различные горючие газы. Применяют:
а) природные газы ;
б) попутные газы ;
в) промышленные газы:
1) доменный ;
2) коксовый .
В состав газа входят: метан (СН4), углеводороды высших порядков (?СmHn), водород (H2 ), азот (N), углекислый газ (СО2), сероводород (H2S).
Если состав твердых и жидких топлив задан в процентах на горючую массу, то при определенных значениях рабочей зольности и влажности АР и WP, %, состав топлива на рабочую массу можно определить умножением имеющихся значений Сr, Hr, Or, Nr, на коэффициент
(2.1)
т.е. и т.д.
При этом
СР+НР+ОР+NP++AP+WP=100 % (2.2)
Пересчет теплоты сгорания с известной горючей массы на рабочую , МДж/кг, может быть выполнен по формуле
. (2.3)
Теплота сгорания газообразного топлива , МДж/кг, подсчитывается по составу газа и теплоте сгорания отдельных его горючих составляющих:
(2.4)
где СO, H2, H2S, CH4 - объемное содержание в топливе отдельных компонентов, %;
QCO, , , и т.д. - теплота сгорания газов, МДж/м3.
В котлах сжигают также смесь топлив. При сжигании смеси двух топлив (твердых или жидких) теплоту сгорания 1 кг смеси МДж/кг, можно подсчитать по формуле:
(2.5)
где - массовая доля одного из топлив в смеси;
- теплоты сгорания компонентов смеси, МДж/кг.
Если смесь задана в долях по тепловыделению входящих в ее состав топлив, то для перехода к массовым долям используется формула
(2.6)
где - доля одного из топлив в общем тепловыделении смеси.
При сжигании смеси твердого или жидкого топлива с газообразным расчеты условно ведут на 1кг твердого или жидкого топлива с учетом приходящегося на него количества газообразного топлива. Условная теплота сгорания смеси топлив подсчитывается по формуле
, (2.7)
где - теплота сгорания твердого (или жидкого) топлива, МДж/кг;
- теплота сгорания газообразного топлива, МДж/м3;
х - количество газа, приходящегося на 1 кг твердого или жидкого топлива, м3/кг.
Если смесь твердого или жидкого топлива с газом задана в долях по тепловыделению каждого вида топлива, то количество газа, приходящееся на 1 кг твердого или жидкого топлива, составляет
, (2.8)
где - доля твердого или жидкого топлива в суммарном тепловыделении смеси.
При оценке эффективности использования топлива применяют понятие об условном топливе. При расходе реального топлива В, кг/с, с теплотой сгорания расход условного топлива, кг/с, составит
. (2.9)
Для сравнения различных топлив, сжигаемых в котлах, применяют приведенные характеристики топлива, % кг/МДж:
- приведенная зольность ; (2.10)
- приведенная влажность ; (2.11)
- приведенная серность ; (2.12)
показывающие количество золы, влаги и серы, приходящиеся на 1 МДж топлива.
2.2 Материальный баланс котельной установки
На рисунке 2.1 показана схема материальных балансов рабочих веществ в котле.
В приходной части баланса процесса горения - количество топлива В, кг/с, и окислителя - воздуха LВ, кг/с, организованно поступающих в топку для сжигания, а также воздух, подсасываемый по тракту котла в топку ?L1, и балластный воздух ?L2 и ?L3 , не участвующий в процессе горения топлива.
В расходной части материального баланса (в общем виде) - газообразные продукты сгорания, покидающие котел, Lr, кг/с, и твердые минеральные остатки - зола (шлак), выпадающие по тракту ( Gзл1, Gзл2), улавливаемые в золоуловительной установке (Gзл3) и уносимые газообразными продуктами сгорания (Gзл4), кг/с.
В общем случае уравнение материального баланса процесса горения топлива в котле имеет вид
. (2.13)
При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие. При работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха.
При определении расхода окислителя (кислорода, воздуха) учитывают, что для твердого и жидкого топлив, состав рабочей массы которых задается в процентах, горючими составляющими являются углерод, водород и сера:
В соответствии с результативной стехиометрической реакцией
C + O2 = CO2
12кг + 32кг = 44кг
для сжигания 1 кг C до CO2 требуется кислорода :
где 1,428 - плотность кислорода, кг/м3.
Для газообразного топлива, состав которого задается в объемных долях(%), CO + H2 + H2S + ?CmHn + CO2 + N2 + O2 = 100, горючими составляющими являются CO, H2, H2S и различные углеводороды CmHn :
CO + H2 + H2S + ?CmHn + CO2 + N2 + O2 = 100
В соответствии с результативной реакцией
CO + 0,5 O2 = CO2
на 1 м3 CO затрачивается = 0,5 м3/м3 кислорода.
Теоретический расход кислорода , м3/кг, необходимого для полного сгорания 1кг твердого или жидкого топлива с учетом кислорода Op, имеющегося в топливе, определяется по формуле:
, (2.14)
а для сгорания 1 м3 газообразного топлива, м3/м3,
(2.15)
При использовании атмосферного воздуха (О2 = 21%) его теоретический расход на горение составляет, м3/кг
В связи с этим при сжигании твердого или жидкого топлива теоретическое количество расходуемого на горение сухого воздуха, м3/кг, определяется по формуле:
, (2.16)
а при сжигании сухого газообразного топлива, м3/м3
. (2.17)
Так как обеспечить идеальное смешение воздуха с топливом в процессе подготовки топлива к сжиганию не удается, то для более полного выгорания топлива воздух в топку котла подают в количестве >.
Действительное количество воздуха, поступающего в топку, м3/кг
. (2.18)
Коэффициент избытка воздуха ?т =/ зависит от вида сжигаемого топлива, его качества, степени измельчения, способа сжигания, а также от конструкции топочного устройства и составляет 1,01 - 1,5. Чем благоприятнее условия для смешения газообразного окислителя с горючими элементами топлива, тем значением ?т может быть меньшим.
В котельных установках, работающих под разрежением, в газоходах за топкой коэффициент избытка воздуха обычно возрастает из-за присоса холодного воздуха, что определяется недостаточной герметизацией лючков, гляделок, обмуровки и т.п. В связи с этим в уходящих газах коэффициент избытка воздуха ?у.г. > ?т
?у.г. = ?т + ? ??. (2.19)
Присосы воздуха в газоходы котла являются нежелательными. Они приводят к снижению температурного уровня газов, что ухудшает теплопередачу, а также к увеличению их объема, что повышает расходы энергии на удаление продуктов сгорания.
Присос воздуха по элементам котла и газоходам, находящимся под разрежением, а также в пылеприготовительную установку составляет
?? = 0 ? 0,2 .
При работе котла под давлением в газовом тракте присос воздуха отсутствуют.
2.3 Состав и количество продуктов сгорания
В общем случае в топке котла газообразные продукты сгорания, представляемые суммой объемов отдельных газов на единицу количества топлива, могут содержать, м3/кг ( м3 / м3 ) :
Vг = VCO2 + VSO2 + VCO + VH2 + ?VCmHn + VN2 + VO2 + VH2O (2.20)
В выражение входят продукты полного сгорания (CO2, SO2, H2O) и неполного (CO, H2, CmHn) сгорания топлива, а также избыточный воздух
(O2 N2).
При разделении продуктов сгорания на сухие газы и водяные пары можно записать :
Vг = Vс.г. + VН2O = VRO2 + VCO + VN2 + VO2 + VH2O, (2.21)
где VRO2 - объем трехатомных газов.
Дальнейшая часть сводится к расчету используя эмпирические уравнения:
VRO2 ,
V?N2 ,
V?H2O .
Определяем Vг как сумма сухих газов и H2O
Vг = Vc.г. + VH2O , (2.22)
при ? > 1
Vс.г. = VRO2 + V?N2 + (? - 1) V?в , (2.23)
VH2O = V?H2O + 0,0161 (? - 1) V?в , (2.24)
Vг = VRO2 + V?N2 + VH2O + (? - 1) V?в (2.25)
2.4 Энтальпия продуктов сгорания и диаграмма
В общем случае энтальпия продуктов сгорания
I = Iг + Iзл (2.26)
При ? = 1
I?г = VRO2(ct)RO2 + V?N2(ct)N2+ V?H2O(ct)H2O + Iзл (2.27)
Энтальпия золы, МДж/кг
, (2.28)
где - доля золы топлива, уносимой газами,
- энтальпия 1 кг золы.
- зависит от топлива, типа и конструкции топки, выбирается по рекомендации.
Поскольку коэффициент избытка воздуха изменяется по газоходам котла, то
Iг = I?г + (? - 1) I?в , (2.29)
Энтальпия теоретически необходимого воздуха :
I?в = I?в (ct)в (2.30)
По указанным формулам вычисляют энтальпии для разных ? и строят I,t - диаграмму( Рис. 2.2) .
1- топочная камера; 2 - испарительные поверхности нагрева; 3- экономайзер; 4 - пароперегреватель; 5 - воздухоподогреватель; 6 -золоуловитель
Рисунок 2.1 - Схема материальных балансов рабочих веществ в котле:
1 - область температур для воздухоподогревателя, 2 - для экономайзера,
<< Пред. стр. 1 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу