38.Материальные и тепловые балансы котельных установок при работе на газовом, жидком и твердом топливах

В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на выработку и перегрев пара или нагревания воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразования энергии вырабатываемый продукт (пар, вода и т.д.) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.

Составление теплового баланса котла заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством тепла- располагаемое тепло и суммой полезно используемого тепла и тепловых потерь Q2, Q3, Q4, Q5, Q 6.На основании теплового баланса вычисляются КПД и необходимый расход топлива. Тепловой баланс составляется применительно к установившемуся тепловому состоянию котла на 1 кг твердых и жидких топлив и 1 газообразных топлив при и 760мм.рт.ст.

Общий вид уравнения теплового баланса:

=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6.

где - располагаемое тепло на 1 кг рабочего тела, кДж/кг;

Q1 - полезно используемое тепло, кДж/кг;

Q2 - потеря тепла с уходящими газами, кДж/кг;

Q3 - потеря тепла от химической неполноты горения, кДж/кг;

Q4 - потеря тепла от механического недожога, кДж/кг

Q5 - потеря тепла от наружного охлаждения (в окружающую среду), кДж/кг; Q 6 - потеря с физическим теплом шлаков, кДж/кг.

Где , -низшая теплота сгорания рабочей сухой массы газообразных топлив и жидкой части твердого и жидкого топлива.(ккал/кг)

тепло,внесенное поступающим в котел воздухом, при подогреве последнего вне агрегата отборным паром, отработанным теплом и т.п.

Q_в.вн = b^/V⁰с_р/(T_г.вз – Т_х.вз), _.

где b^/ - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с_р^/= 1,33 кДж/(м³·К), при температуре воздуха до 600К; Т_г.вз , Т_х.вз – температуры горячего о холодного воздуха, обычно Т_х.вз = 300К.

Теплоту, вносимую с паром для распыления мазута (форсуночный пар), находят по формуле:

Q_пар = W_ф (i_ф – r) , _. 

где W_ф – расход форсуночного пара, равный 0,3-0,4 кг/кг; i_ф – энтальпия форсуночного пара, кДж/кг; r – теплота парообразования, кДж/кг. Физическая теплота 1 кг топлива:

Q_физ.т. = с_т (Т_т – 273) , _. 

где с_т – теплоемкость топлива, кДж/(кг· К); Т_т – температура топлива. Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q^р_р=Q^р_н.

Если отнести составляющие теплового баланса к и выразить их доли в процентах, то получим

Q1 + q2 + qз + q4 + q5 + q6 = 100 %. 

В тепловом балансе котельного агрегата наибольшей является потеря тепла с уходящими газами q2. Ее величина обычно находится в пределах от 4 до 8 % от располагаемого тепла Потеря теплоты с уходящими газами зависит от их температуры и количества.Для уменьшения q2 используют водяные экономайзеры, а иногда и воздухоподогреватели, понижающие температуру

Уходящих газов до 110—210°С. При отсутствии этих элементов температура газов составляет 250—400 °С. При уменьшении избытка воздуха q2 снижается

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива обусловлена наличием в уходящих газах продуктов незавершенного горения (СО, Н2, CnHm). Для слоевых топок она составляет 0,54 -3,0%, для камерных — 0,5 - 1,5 %. Горение топлива с недостатком воздуха приводит к ее существенному повышению.

П отеря теплоты от механической неполноты сгорания вызвана провалом частиц несгоревшего топлива через колосниковую решетку, уносом их потоком газов, удалением вместе с золой и шлаком при чистке топки. Величина q4 зависит от типа топочного устройства, вида и сорта топлива и пр.; для слоевых топок она может составлять от 1—2 до 18 %, Для камерных — 1- 5 %. Для жидкого и газообразного топлив эти потери отсутствуют.

Потеря теплоты в окружающую среду вызвана теплообменом нагретых частей котлоагрегата с наружным воздухом. Зависит она от величины поверхности ограждений котлоагрегата и их температуры и определяется по графикам в зависимости от производительности котлоагрегата (q5= 14 - 5 %).

Потеря с физической теплотой шлаков учитывается при их удалении из топки в расплавленном состоянии.

Материальный баланс котла в целом составляют для его газовоздушного и пароводяного трактов (для случая парового котла).Матер.баланс процесса горения рассмотрен применительно к сжиганию твердого топлива с получением газообразных и твердых продуктов сгорания.В приходной части процесса горения- количество тепла В(кг/с), и окислителя –воздуха Lв(кс/с) организованно поступающие в топку для сжигания, а также воздух ,подсасываемый по тракту котла в топку и балластный воздух и ,не участвующий в процессе горения топлива. В расходной части матер.баланса в общем виде- газообразные продукты сгорания. покидающие котел (кг/с) и твердые минеральные остатки- зола(шлак),выпадающие по тракту( и ), улавливаемые в золоуловительной установке (кг/с)и уносимые газообразными продуктами сгорания

В общем случае уравнение матер.баланса процесса горения топлива в котле имеет вид

При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие .при работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха

При горении топлива горючие элементы взаимодействуют с окислителем(кислородом) и образуют соответствующие окислы(СО2- углекислый газ, сернистый газ (SO2) и вода (Н2О).)Т.к. окисление идет в основном за счет кислорода, содержащегося в воздухе(21%),то в продуктах сгорания содержится кроме указанных окислов азот ,входивший ранее в воздух. Если при полном сгорании топлива прореагирует весь поданный с воздухом кислород, то имеющееся при этом соотношение количеств кислорода и топлива называют стехиотметрическим, а количество поданного воздуха- теоретически необходимым Подсчитаем количество воздуха, необходимого для полного сгорания топлива и объемы продуктов сгорания

Для полного сгорания 1 кг рабочей массы топлива, элементарный состав которого выражается в процентах по весу, количество теоретически необхо­димого кислорода, с учетом содержащегося в топливе кислорода, может быть определено (кг/кг):

Учитывая, что плотность воздуха рв = 1,293 кг/нм^, подсчитываем коли­чество теоретически необходимого воздуха в обьемных единицах:

Аналогично выводится формула и для сжигания газообразного топлива.

При полном сгорании 1 кг топлива (или 1 нм^ газообразного) в продук­тах сгорания должны содержаться СО2, О2, Н2О и N2. Получаемые при этом объемы газов называются теоретическими. При полном сгорании 1 кг углерода получается 44:12 = 3,66 кг углекислого газа. В реальных условиях работы котельных агрегатов вследствие несовер­шенства процесса смесеобразования добиться полного сгорания топлива при теоретическом количестве воздуха невозможно. Поэтому количество подавае­мого в топку воздуха Vb всегда больше теоретически необходимого V°. Отношение действительного количества подаваемого воздуха к теорети­чески необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:

Величина коэффициента избытка воздуха выбирается в зависимости от свойств топлива, способа сжигания, конструкции топочных устройств и др. Коэффициент избытка воздуха в топке ат = 1,1-1,3.

При наличии избыточного воздуха действительный объем газов будет больше теоретического:

Несколько возрастает объем водяных паров

В условиях работы котельных агрегатов в дымовых газах почти всегда имеются в большем или меньшем количестве продукты неполного сгорания топлива (СО, Н2, СН4 и др.). Состав продуктов сгорания топлива определяется с помощью специаль­ных приборов - газоанализаторов.