<< Пред. стр. 2 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу
3 - для пароперегревателя, 4 - для котельного пучка (фестона),
5 - для топки.
Рисунок 2.2 - Примерный характер I, t-диаграммы
3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
В котельной установке при сжигании органического топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Выделившаяся теплота за вычетом потерь передается рабочему веществу - теплоносителю, в результате получается полезная продукция, например водяной пар. Эффективность энергоиспользования в котельной установке, а также направления его совершенствования устанавливаются тепловым балансом.
Тепловой баланс котла характеризует равенство между приходом и расходом теплоты:
Qприх = Qрасх. (3.1)
Приходная часть теплового баланса (располагаемая теплота Qpp, МДж/м3) в общем случае записывается в виде
(3.2)
где внесенная химическая теплота
а внесенная физическая теплота
Рассмотрим составляющие приходной части теплового баланса:
- низшая рабочая теплота сгорания единицы топлива, МДж / м3;
Qэкз - член учитывают при использовании теплоты экзотермических реакций;
Qэнд - член учитывает затраты теплоты на возможные эндотермические реакции;
Qф.m - член учитывает физическую теплоту топлива, МДж / кг:
Qф.m = Cтtт , (3.3)
где Cт - теплоёмкость рабочего топлива, МДж / (кг*К);
tт - температура топлива, 0С.
Член Qпар, МДж/кг, учитывает теплоту, вносимую в агрегат паром при паровом распыливании мазута или при подаче под решетку пара для улучшения ее работы при слоевом сжигании антрацита
Qпар= Gn ? (hn - 2,51), (3.4)
где Gn - удельный расход дутьевого пара, кг / кг. При паровом распыливании мазута Gn=0.3 ?0.35 кг / кг;
hn - энтальпия дутьевого пара, МДж / кг;
2,51 МДж / кг - примерное значение энтальпии водяного пара в продуктах сгорания, уходящих в атмосферу.
При составлении теплового баланса для котла можно принять:
. (3.5)
Расходная часть теплового балaнса в расчете на 1 кг топлива в общем случае может содержать теплоту, затраченную на выработку пара и различные потери:
Qрасх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 ? Qakk (3.6)
В простейшем случае теплота, полезно затраченная на выработку перегретого пара, МДж / кг, составит
(3.7)
где D - выход пара, кг / с.
В - расход топлива, кг / с:
- энтальпии перегретого пара и питательной воды, МДж/кг;
Q1 - полезно использованное тепло, МДж/кг;
Q2 - потери тепла с уходящими газами, МДж/кг;
Q3 - потери тепла от химического недожога, МДж/кг;
Q4 - потери тепла от механического недожога, МДж/кг;
Q5 - потери тепла в окружающую среду, МДж/кг;
Q6 - потери с физической теплотой шлаков, МДж/кг;
Qакк - расход "-" или приход теплоты "+", связанный с неустановившимся тепловым режимом работы котла, МДж/кг.
При установившемся тепловом режиме Qакк = 0.
В относительных долях запишем тепловой баланс в безразмерной форме :
.
100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 , % (доля стационарного режима),
.
Виды тепловых потерь:
- потеря теплоты с уходящими газами;
- потеря теплоты от химической неполноты сгорания;
- потеря теплоты от механической неполноты сгорания;
- потеря теплоты от наружного охлаждения;
- потеря с физической теплотой шлаков.
Рисунок 3.1 - Тепловой баланс котла
1 - топочная камера; 2 - испарительные поверхности нагрева; 3 - пароперегреватель; 4 - экономайзер; 5 - воздухоподогреватель .
Рисунок 3.2 - Принципиальная схема котла
4 РАСХОД ТОПЛИВА И КПД КОТЛА
Существует 2 метода определения КПД:
- по прямому балансу;
- по обратному балансу.
Определение КПД котла как отношение полезно затраченной теплоты к располагаемой теплоте топлива - это определение его по прямому балансу:
. (4.1)
КПД котла можно определить и по обратному балансу - через тепловые потери. Для установившегося теплового состояния получаем
. (4.2)
КПД котла, определяемый по формулам (1) или (2), не учитывает электрической энергии и теплоты на собственные нужды. Такой КПД котла называют КПД брутто и обозначают или .
Если потребление энергии в единицу времени на указанное вспомогательное оборудование составляет , МДж, а удельные затраты топлива на выработку электроэнергии в, кг/МДж, то КПД котельной установки с учетом потребления энергии вспомогательным оборудованием (КПД нетто), %,
. (4.3)
Иногда называют энергетическим КПД котельной установки.
Для котельных установок промышленных предприятий затраты энергии на собственные нужды составляют около 4% вырабатываемой энергии.
Расход топлива определяется:
. (4.4)
Определение расхода топлива связано с большой погрешностью, поэтому КПД по прямому балансу характеризуется низкой точностью. Данный метод используется для испытаний существующего котла.
Метод по обратному балансу характеризуется большей точностью, используется при эксплуатации и проектировании котла. При этом Q3 и Q4 определяется по рекомендации и из справочников. Q5 определяется по графику. Q6 - рассчитывается (редко учитывается), и по существу определение по обратному балансу сводится к определению Q2, которое зависит от температуры уходящих газов.
КПД брутто зависит от типа и мощности котла, т.е. производительности, вида сжигаемого топлива, конструкции топки. На КПД влияет также режим работы котла и чистота поверхностей нагрева.
При наличии механического недожога часть топлива не сгорает (q4), а значит не расходует воздуха, не образует продуктов сгорания и не выделяет теплоты, поэтому при расчете котла пользуются расчетным расходом топлива
. (4.5)
КПД брутто учитывает только тепловые потери.
Рисунок 4.1 - Изменение КПД котла с изменением нагрузки
5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ В КОТЕЛЬНОМ АГРЕГАТЕ.
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ
5.1 Потеря теплоты с уходящими газами
Потеря теплоты с уходящими газами Qу.г возникает из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов, покидающих котел, превышает физическую теплоту поступающих в котел воздуха и топлива.
Если пренебречь малым значением энтальпии топлива, а также теплотой золы, содержащейся в уходящих газах, потеря теплоты с уходящими газами, МДж/кг, подсчитывается по формуле :
Q2 = Jч.г - Jв ; (5.8)
,
где - энтальпия холодного воздуха при ?=1;
100-q4 - доля сгоревшего топлива;
?у.г- коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.
Если температура окружающей среды равна нулю (tх.в=0), то потеря теплоты с уходящими газами равна энтальпии уходящих газов Qу.г=Jу.г.
Потеря теплоты с уходящими газами занимает обычно основное место среди тепловых потерь котла, составляя 5-12 % располагаемой теплоты топлива, и определяется объемом и составом продуктов сгорания, существенно зависящих от балластных составляющих топлива и от температуры уходящих газов:
. (5.9)
Отношение , характеризующее качество топлива, показывает относительный выход газообразных продуктов сгорания (при ?=1) на единицу теплоты сгорания топлива и зависит от содержания в нем балластных составляющих:
- для твердого и жидкого топлива: влаги WР и золы АР;
- для газообразного топлива: N2, CO2, O2.
C увеличением содержания в топливе балластных составляющих и, следовательно, , потеря теплоты с уходящими газами соответственно возрастает.
Одним из возможных направлений снижения потери теплоты с уходящими газами является уменьшение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах ?у.г , который зависит от коэффициента расхода воздуха в топке ?Т и балластного воздуха, присосанного в газоходы котла, находящиеся обычно под разрежением
?у.г = ?Т + ?? . (5.10)
В котлах, работающих под давлением, присосы воздуха отсутствуют.
С уменьшением ?Т потеря теплоты Qу.г снижается, однако при этом в связи с уменьшением количества воздуха, подаваемого в топочную камеру, возможно появление другой потери - от химической неполноты сгорания Q3.
Оптимальное значение ?Т выбирается с учетом достижения минимального значения qу.г + q3.
Уменьшение ?Т зависит от рода сжигаемого топлива и типа топочного устройства. При более благоприятных условиях контактирования топлива и воздуха избыток воздуха ?Т, необходимый для достижения наиболее полного горения, может быть уменьшен.
Балластный воздух в продуктах сгорания помимо увеличения потери теплоты Qу.г приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.
Важнейшим фактором, влияющим на Qу.г , является температура уходящих газов tу.г . Её снижение достигается установкой в хвостовой части котла теплоиспользующих элементов (экономайзера, воздухоподогревателя). Чем ниже температура уходящих газов и соответственно меньше температурный напор ?t между газами и нагреваемым рабочим телом, тем большая площадь поверхности Н требуется для такого же охлаждения газа. Повышение tу.г приводит к увеличению потери с Qу.г и к дополнительным затратам топлива ?B. В связи с этим оптимальная tу.г определяется на основе технико-экономических расчетов при сопоставлении годовых затрат для теплоиспользующих элементов и топлива для различных значений tх.г.
На рис.4 можно выделить область температур (от до ), в которой расчетные затраты отличаются незначительно. Это дает основание для выбора в качестве наиболее целесообразной температуры , при которой начальные капитальные затраты будут меньше.
Существуют ограничительные факторы при выборе оптимальной :
а) низкотемпературная коррозия хвостовых поверхностей;
б) при 0C возможна конденсации водяных паров и соединение их с окислами серы;
в) выбор зависит от температуры питательной воды, температуры воздуха на входе в воздушный подогреватель и других факторов;
г) загрязнение поверхности нагрева. Это приводит к снижению коэффициента теплопередачи и к повышению .
При определении потери теплоты с уходящими газами учитывают уменьшение объема газов
. (5.11)
5.2 Потеря теплоты от химической неполноты сгорания
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания Q3 возникает при неполном сгорании топлива в пределах топочной камеры котла и появления в продуктах сгорания горючих газообразных составляющих CO, H2, CH4, CmHn... Догорание же этих горючих газов за пределами топки практически невозможно из-за относительно низкой их температуры.
Химическая неполнота сгорания топлива может явиться следствием:
- общего недостатка воздуха;
- плохого смесеобразования;
- малых размеров топочной камеры;
- низкой температуры в топочной камере;
- высокой температуры.
При достаточном для полного сгорания топлива качестве воздуха и хорошем смесеобразовании q3 зависит от объемной плотности тепловыделения в топке
. (5.12)
Оптимальное отношение , при котором потеря q3 имеет минимальное значение, зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Для современных топочных устройств потеря теплоты от q3 составляет 0?2 % при qv=0,1?0,3 МВт/м3.
Для снижения потери теплоты от q3 в топочной камере стремятся повысить температурный уровень, применяя, в частности, подогрев воздуха, а также всемерно улучшая перемешивание компонентов горения.
5.3 Потеря теплоты от механической неполноты сгорания
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания q4 связана с недожогом твердого топлива в топочной камере. Часть его в виде горючих частиц, содержащих углерод, водород, серу, может уноситься газообразными продуктами сгорания, часть - удаляется вместе со шлаком.
Потеря теплоты от Q4, МДж/кг, в общем случае состоит из трех слагаемых - потерь с провалом, со шлаком и с уносом:
, (5.13)
или относительно располагаемой теплоты, %
. (5.14)
При определении q4 на основе данных испытания котельной установки значения , МДж/кг, подсчитывают по формуле :
, (5.15)
где Gпр - выход провала, кг/с;
Qпр - теплота сгорания провала, МДж/кг;
В - общий расход топлива.
Потеря теплоты со шлаком , %, связана с тем, что в образующемся в процессе горения топлива шлаке могут содержаться невыгоревшие частицы топлива. Она зависит также от метода удаления шлака и от размеров кусков топлива - в слоевых топках.
В камерных топках значительное количество золы топлива уносится дымовыми газами, потеря незначительна, она возрастает с увеличением зольности топлива, с углублением помола пыли, с уменьшением выхода летучих, а также зависит от конструктивных и режимных особенностей топки.
Значение , МДж/кг, определяется по формуле
, (5.16)
где Gшл - выход шлака, кг/с;
Qшл - теплота сгорания шлака, МДж/кг, определяется
, (5.17)
где Gун - масса уноса, кг/с;
Qун - теплота сгорания уноса, МДж/кг.
Определение массы уноса Gун , кг/с для выявления потери теплоты от механической неполноты сгорания в отличие от Gпр и Gшл практически невозможно.
Значение Gун может быть определено из уравнения золового баланса, учитывающего в общем случае распределение золы топлива между провалом, шлаком и уносом
, (5.18)
где АР, Апр, Ашл, Аун - зольности топлива, провала, шлака и уноса, %.
При сжигании газового и жидкого топлива потеря q4 отсутствует.
5.4 Потеря теплоты от наружного охлаждения
Потеря теплоты от наружного охлаждения Q5(q5) возникает потому, что температура наружной поверхности котла превышает температуру окружающей среды.
Этот вид потерь можно подсчитать по уравнению теплопередачи с учетом передачи тепла конвекции и излучения.
Характер зависимости определяется снижением отношения площади наружной поверхности котла к тепловыделению с увеличением мощности котла.
Распределение суммарной потери от наружного охлаждения по отдельным газоходам котла производится пропорционально количеству теплоты, отдаваемой газами в соответствующих газоходах, и учитывается введением коэффициента сохранения теплоты
. (5.19)
5.5 Потеря с физической теплотой шлака
Потеря с физической теплотой шлака Q6(q6) возникает потому, что при сжигании твердого топлива удаляемый из топки шлак имеет высокую температуру. Это относится к топкам с жидким шлакоудалением, для которых q6 = 1 ? 2 % , а также к слоевым топкам.
Потеря теплоты , %, определяется
, % (5.20)
где ;
(сt)зл - энтальпия золы, МДж/кг.
Для топок с жидким шлакоудалением температура шлака принимается равной температуре нормального жидкого шлакоудаления, а при твердом шлакоудалении - равной 600 0С.
При камерном сжигании топлива и твердом шлакоудалении потеря q6 учитывается только для топлив с большим содержанием золы .
В котлах имеются потери теплоты на охлаждение различных элементов. Эту потерю определяют
. (5.21)
Рисунок 5.1 - К определению коэффициента избытка воздуха в топке котла
Рисунок 5.2 - К определению температуры уходящих газов
Рисунок 5.3 - Изменение температуры уходящих газов с изменением нагрузки
Рисунок 5.4 - Зависимость потери теплоты от химической неполноты сгорания
от объемной плотности тепловыделения
Рисунок 5.5 - Зависимость потери теплоты от наружного охлаждения от
паропроизводительности котла без хвостовых поверхностей (1)
и с хвостовыми (2)
6 КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОТЛОВ. СЖИГАНИЕ ГАЗА В ТОПКАХ КОТЛОВ
6.1 Классификация топок
На промышленных предприятиях получение различных теплоносителей осуществляется в котельных установках при сжигании различных органических топлив. Сжигание топлива в котлах и в различных технологических аппаратах осуществляется в топочных устройствах (топках).
По назначению все топки можно разделить на:
- тепловые;
- силовые;
- технологические.
Тепловые топки предназначаются для преобразования химической энергии топлива в физическую теплоту высокотемпературных газов для последующей передачи теплоты этих газов через поверхности нагрева нагреваемой среде. Силовые топки служат для получения продуктов не только с высокой температурой, но и с повышенным давлением. Эти продукты сгорания используются непосредственно для силовых целей в газовых турбинах, соплах реактивных двигателей и т.п.
Тепловые топки подразделяют на слоевые для сжигания кускового топлива и камерные - для сжигания газообразного и жидкого топлива, твердого топлива в пылевидном (мелкодробленом) состоянии, а также для сжигания смеси топлив.
Независимо от схемы организации горения полное время сгорания любого топлива в топке складывается из времени, необходимого для подвода окислителя к топливу (смесеобразования), , времени нагрева компонентов горения до температуры воспламенения и времени, необходимого для протекания самой химической реакции горения , т.е.
. (6.1)
Этапы смешения и нагрева являются здесь физической стадией процесса , а реакций горения - химической .
Если <<, то процесс находится в кинетической области. Полное время сгорания топлива определяется в этом случае скоростью химического процесса. Для кинетической области ?.
При ?, т.е. когда время транспортировки окислителя к горючему значительно больше времени, необходимого для осуществления собственно химической реакции горения, процесс находится в диффузионной области для которой ?.
Если время протекания химической реакции соизмеримо со временем физической стадии (?), то процесс находится в промежуточной области и полное время сгорания топлива определяется скоростью наиболее медленного этапа.
6.2 Конструкция топок
При слоевом процессе свободно лежащее на решетке топливо продувается снизу воздухом. Скорость газовоздушного потока в слое такова, что устойчивость слоя не нарушается, т.е. сила тяжести топливных частиц была больше создаваемой газовым потоком подъемной силы
, (6.2)
где Gч - сила тяжести частицы;
Wс - действительная скорость потока;
?п - плотность потока воздуха;
<< Пред. стр. 2 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу