Тепловой баланс котельного агрегата кратко

Обновлено: 05.07.2024

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 м 3 сжигаемого (израсходованного) топлива имеет вид

где Q_р р – располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м 3 ; 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 :

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

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

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

Часовой или секундный расход топлива:

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

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/нм 3 сухого 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/м 3 ) можно определить по формуле

Высшая теплотворная способность сухого газа определяется по формуле

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/м 3 .

Необходимый для сжигания 1 нм 3 газообразного топлива теоретический объем воздуха в нм 3 равен:

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

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 O + V_H₂_O O + 1,061V O (α – 1), (12.24)

Количество трехатомных газов CO₂ и SO₂ в продуктах горения:

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.

Уравнение теплового баланса для установившегося теплового состояния агрегата записывают в следующем виде:

илиQ р _р=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆ (14.1)где Q p _p – теплота, которой располагают; Q₁ – использованная теплота; Q_п - общие потери; Q₂ – потери теплоты с уходящими газами; Q₃ – потери теплоты от химического недожога; Q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q₅ – потери теплоты в окружающую среду; Q₆ – потери теплоты с физической теплотой шлаков.

Левая приходная часть уравнения теплового баланса (14.1) является суммой следующих величин:Q р _р=Q р _н+Q_в.вн+Q_пар+Q_физ.т. (14.2)

где Q_в.вн – теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 кг топлива; эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухонагревателе, то, теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата; Q_пар - теплота, вносимая в топку с дутьевым (форсуночным) паром на 1 кг потлива; Q_физ.т. - физическая теплота 1 кг или 1 м 3 топлива.

Теплоту, вносимую с воздухом, рассчитывают по равенству:

где b / - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с_р / = 1,33 кДж/(м 3 ·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:

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:

Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q р _р=Q р _н.

Целями составления теплового баланса котельного агрегата являются:

• определение значений всех приходных и расходных статей баланса;

• расчет коэффициента полезного действия котельного агрегата;

• анализ расходных статей баланса с целью установления причин ухудшения работы котельного агрегата.

На основе такого анализа разрабатываются мероприятия по повышению энергетической эффективности котельного агрегата.

В котельном агрегате при сжигании органического топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов горения. Выделившаяся теплота расходуется на выработку полезной теплоты пара или горячей воды и на компенсацию тепловых потерь. В соответствии с законом сохранения энергии должно соблюдаться равенство прихода и расхода теплоты в котельном агрегате, т.е.

Для котельных установок тепловой баланс обычно составляют на 1 кг твердого или жидкого топлива, или на 1 м3 газа, находящегося при нормальных условиях (273 К и О, I013 МПа). Статьи, входящие в уравнение теплового баланса, должны иметь размерность МДж/кг или МДж/м3.

Поступившую в котельный агрегат теплоту называют также располагаемой теплотой и обозначают Q PP . В общем случае приходная часть теплового баланса записывается в виде уравнения

где Q PH — низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг для твердого или жидкого топлива и МДж/м3 для газа; (Q ф.т — физическая теплота топлива, определяемая по формуле

где С T — удельная теплоемкость топлива, МДж/(кг-°С) или МДж/ (м3-°С); Ат температура нагрева топлива, °С.

Физическая теплота твердого топлива, имеющего обычно низкую температуру (около 20 °С), в балансе не учитывается. Жидкое топливо (мазут) для снижения вязкости и улучшения распыла поступает в топку подогретым до температуры 80. 120°С, потому его физическая теплота при выполнении расчетов учитывается. Учет Qф.т ведется при сжигании газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (например, доменного газа) при условии его подогрева до 200. 300 С.

Q ф.в — физическая теплота воздуха учитывается лишь при подогреве его вне котла за счет постороннего источника (например, в паровом калорифере или в автономном подогревателе при сжигании в нем дополнительного топлива);

Q пар — теплота, вносимая в топку котла с паром при паровом распылевамазута или при вводе пара под колосниковую решетку для улучшения горения в случае слоевого сжигания антрацита:

где G п — расход пара на 1 кг топлива, кг. При паровом распыливании мазута G п - 0,3. .0,35, кг/кг топлива, при сжигании антрацита и подаче пара под решетку G n = 0,2. 0,4 кг/кг топлива; h п — энтальпия пара, МДж/кг; 2,51 — примерное значение энтальпии водяного пара в продуктах сгорания, покидающих котельный агрегат, МДж/кг.

Расходная часть теплового баланса включает в себя полезно используемую теплоту Qпол, затраченную на выработку пара (или горячей воды), и различные потери ΣQ потepь , т.е.

Если обе части приведенного уравнения баланса умножить на 100% и разделить на Q

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса определяют расход топлива и вычисляют коэффициент полезного действия, эффективность работы котельного агрегата. 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 потлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту. Уравнение теплового баланса для установившегося теплового состояния агрегата записывают в следующем виде: Q p _p=Q₁+ Q_п или

где Q p _p– теплота, которой располагают; Q₁– использованная теплота; Q_п - общие потери; Q₂– потери теплоты с уходящими газами; Q₃– потери теплоты от химического недожога; Q₄– потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q₅– потери теплоты в окружающую среду; Q₆– потери теплоты с физической теплотой шлаков. Левая приходная часть уравнения теплового баланса (14.1) является суммой следующих величин:

где Q_в.вн– теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 кг топлива; эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухонагревателе, то, теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата; Q_пар- теплота, вносимая в топку с дутьевым (форсуночным) паром на 1 кг потлива; Q_физ.т.- физическая теплота 1 кг или 1 м 3 топлива. Теплоту, вносимую с воздухом, рассчитывают по равенству:

где  / - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с_р / = 1,33 кДж/(м 3 ·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:

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:

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.

Тема 15. Топочные устройства.

15.1. Топочные устройства.

Топка –один из основных элементов котельного агрегата. В ней происходит процесс горения, при котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, передаваемую далее жидкости и пару, находящимся в котле. Существующие топочные устройства можно разделить наслоевые икамерные.Слоевые топки предназначены для сжигания твердого топлива в слое на колосниковой решетке. Вкамерных топках сжигается твердое топливо во взвешенном состоянии в виде пыли и дробленых частиц, а также жидкое, распыляемое с помощью форсунок, и газообразное. Камерные топки подразделяются нафакельныеивихревые. На рис.15.1 показаны схемы слоевого, факельного и вихревого способов сжигания топлива. При слоевом способе сжигания необходимый для горения воздух попадается к слою топлива через колосниковую решетку.

При факельном способе сжигания твердое топливо предварительно размалывается в мельницах и пыль вместе с воздухом (аэросмесь) попадает в топку. Время пребывания газа и пыли в объеме топки незначительно (1,5-2 с). Циклонный способ сжигания основан на использовании закрученных топливовоздушных потоков. Транспорт топлива осуществляется воздухом. Топливные частицы циркулируют по определенным траекториям в течение времени, необходимого для завершения их сгорания. Под действием центробежных сил частицы движутся в виде уплотненного пристенного слоя, интенсивно перемешиваясь с воздухом. Время пребывания частиц в циклонной камере выбирается достаточным для выгорания грубой пыли (размер частиц – 200 мкм) или дробленого топлива (размер частиц до 5 мм).Слоевые топки. По способу механизации операций обслуживания (подача топлива, шировка слоя, удаление золв и шлака) слоевые топки делятся на ручные (немеханизированные),полумеханическиеимеханические. В полумеханических топках механизирована часть операций. В механических топках механизированы все операции. Классификации наиболее типичных и относительно широко распространенных топочных устройств со слоевым сжиганием топлива показана на рис.15.2.

В зависимости от способа организации процесса сжигания топлива слоевые топки можно разделить на три группы: 1) с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива (рис.15.2,а, б); 2) с неподвижной колосниковой решеткой и перемещением топлива по решетке (рис.15.2 в, г, д); 3) с подвижной колосниковой решеткой и движущимся вместе с ней слоем топлива (рис.15.2е). В показанную на рис.15.2,атопку топливо загружают вручную и вручную удаляют очаговые остатки через зольник. Из-за большой затраты физического труда топки этого типа используют только для котлов малой паропроизводительности (до 0,5 кг/с). На рис.15.2,б показана полумеханическая топка с пневмомеханическим забрасывателем (ПМЗ) (рис.15.3) и ручными поворачивающимися колосниками (РПК).

Топливо забрасывается питателем ПМЗ и равномерно распределяется по решетке, Удаляют очаговые остатки путем их сбрасывания в зольный бункер при повороте колосников около своей оси от ручного привода. В топке, показанной на рис. 15.2, в, загрузка осуществляется под воздействием собственного веса топлива. Топки с наклонной решеткой (с углом 40-50, что соответствует углу естественного откоса сжигаемого топлива) используют обычно для сжигания древесных отходов и кускового торфа. Возвратно-поступательное движение колосников на наклонно-переталкивающей решетке (рис. 15.2,г) дает возможность осуществить непрерывную шуровку слоя топлива, В таких топках возможно сжигание горючих сланцев, бурых углей с большой зольностью и повышенной влажностью и каменных углей с большим выходом летучих веществ. Топки с шурующей планкой (рис. 15.2,д) предназначены для сжигания многозольных бурых и неспекающихся каменных углей. Шурующая планка выполняется в виде трехгранной призмы из литого чугуна или стали. Угол наклона передней плоскости к горизонтальной плоскости составляет 35, а задней – 15. При движении вперед (к задней стенке топки) топливо подрезается задней гранью и осуществляется шуровка горящего слоя топлива.Камерные топки для сжигания твердого топлива используют в котельных агрегатах средней (10-42 кг/с) и большой ( 42 кг/с) производительности. Основные преимущества камерных топок заключаются в следующем: 1) возможность экономичного использования практически всех сортов угля, в том числе и низкокачественных, которые трудно сжигать в слое; 2) хорошее перемешивание топлива с воздухом, что позволяет работать с небольшим избытком воздуха (а=1,2-1,25); 3) возможность повышения единичной мощности котельного агрегата: 4) относительная простота регулирования режима работы и, следовательно, возможность полной автоматизации топочного процесса.

Читайте также: