Белорусский национальный технический университет Топливо и его использование Лекция 5. Тепловой баланс котла
В топочном устройстве котла химическая энергия топлива в процессе горения преобразуется в энтальпию нагретых продуктов сгорания (дымовых газов), от которых передаётся пароводяному теплоносителю путём теплоотдачи к поверхностям нагрева и частично теряется. Эффективность использования топлива в котельном агрегате определяется в основном двумя факторами: полнотой процесса сгорания топлива и глубиной охлаждения продуктов сгорания. Лекция 5
Б ó льшая часть располагаемой теплоты, вносимой в котельный агрегат (теплота сгорания топлива, физическая теплота топлива, воздуха, иногда – пара), воспринимается поверхностями нагрева и передается нагреваемому рабочему телу (вода, пар). Это – полезно использованная теплота Q 1 ( кДж/кг ), за счет которой производятся: в водогрейном котле подогрев сетевой воды от t х.в. до t г.в. в паровом котле подогрев питательной воды до т-ры насыщения, испарение воды и перегрев пара до t пп. Лекция 5
Лекция 5 Остальная часть располагаемой теплоты (от 5–7 % в мощных котлоагрегатах до 15–20 % в котлах малой мощности) теряется вследствие потерь тепла, сопутствующих работе котельного агрегата. Распределение вносимого в котельный агрегат тепла на полезно используемое и отдельные потери описывется уравнением теплового баланса котельного агрегата. В общем виде уравнение теплового баланса при установившемся режиме работы записывается следующим образом
Q р р – располагаемое (подводимое) тепло на 1 кг рабочего твердого/жидкого топлива, кДж/кг (или на 1 м 3 сухого газообразного топлива, кДж/м 3 ) Q 1 – полезно использованное тепло, кДж/кг (кДж/м 3 ) Q 2 - потери тепла с уходящими газами, кДж/кг (кДж/м 3 ) Q 3 – потери тепла от химической неполноты сгорания топлива, кДж/кг Q 4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, кДж/кг Q 5 – потери тепла от наружного охлаждения котельного агрегата, кДж/кг (кДж/м 3 ) Q 6 – потери с физическим теплом шлаков, кДж/кг. Лекция 5
Уравнение теплового баланса обычно относится к величине располагаемого тепла ( нормируется на Q р р ) и выражается в процентах q 1 + q 2 +q 3 +q 4 +q 5 +q 6 = 100% или долях: q 1 + q 2 +q 3 +q 4 +q 5 +q 6 = 1 Отношение полезно использованного тепла Q 1 к располагаемому Q р р представляет собой коэффициент полезного действия (КПД) брутто котельного агрегата Лекция 5
Коэффициент полезного действия котельного агрегата с учетом расхода электроэнергии и тепла на с.н. называют КПД к.а. нетто : Лекция 5 КПД к.а. брутто не учитывает затраты энергии на собственные нужды (с.н.) котельного агрегата ( эл.энергия на привод насосов, вентиляторов, дымососов, размол топлива; тепловая энергия на паровую обдувку поверхностей нагрева и с продувочной водой ( на продувку ).
Для предотвращения накопления растворимых солей (в основном натриевых) и шлама в котловой воде из циркуляционного контура непрерывно отводится ( продувается ) часть воды. Величина непрерывной продувки, которая зависит от чистоты питательной воды и допустимой концентрации солей в циркуляционном контуре, составляет обычно 0.5–2.0 % от паровой производительности котла ( D п ). Лекция 5 Непрерывная продувка Шлам – твердая накипь (в основном СаСО 3, может быть MgSiO 3 и другие соединения магния, Mg ( OH ) 2 – прикипающий шлам). Обдувка – удаление золы с поверхностей нагрева струёй пара.
Лекция 5 Расчёт КПД котла брутто по прямому балансу требует непосредственного измерения всех величин, характеризующих как подводимое (располагаемое) Q р р, так и полезно используемое Q 1 тепло в котельном агрегате. КПД котла брутто может быть рассчитан по обратному балансу путём вычитания суммарных тепловых потерь из располагаемой теплоты (в относительном виде)
Располагаемая теплота Q р р котельного агрегата может быть представлена следующим уравнением: Q р р = Q н р + Q в.внеш + Q тл + Q ф - Q карб (кДж/кг или кДж/м 3 ) Q р н - низшая теплота сгорания твердого или жидкого, кДж/кг, и кДж/м 3 сухой массы газового топлива, Q в.внеш - теплота, вносимая в топку воздухом, подогретым вне котла до входа в воздухоподогреватель, кДж/кг или кДж/м 3, Лекция 5
При сжигании высокосернистых мазутов, углей воздух предварительно подогревают вне котла – например, в калориферах α – коэффициент избытка воздуха. Лекция 5 – энтальпия теоретически необходимого количества воздуха на входе в котельный агрегат (до в/ п ) и холодного воздуха. (кДж/кг, кДж/ м 3 ) – средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха, кДж /(м 3 К)
Лекция 5 5 15 – воздухоподогреватель (2-ступенчатый) для подогрева воздуха за счёт охлаждения дымовых газов Теплота, получаемая воздухом в воздухоподогревателе котла, в располагаемую теплоту не включается, поскольку подогрев воздуха здесь производится продуктами сгорания топлива. Температура уходящих газов в балансе тепла принимается за воздухоподогревателем, т.е. энергия газов, затраченная на нагрев воздуха, уже исключена из потерь.
Q тл – физическая теплота (энтальпия) топлива, кДж/кг или кДж/м 3, Q ф - теплота, вносимая паром, используемым для распыливания мазута, кДж/кг, Q карб = 40.6 СО 2 к – теплота (кДж/кг), расходуемая на разложение карбонатов при сжигании сланцев ( СО 2 к – содержание диоксида углерода, образующегося при разложении карбонатов, % ). Лекция 5
(кДж/кг или кДж/м 3 ) – теплоемкость рабочей массы топлива, кДж/(К. кг) или кДж/(К. м 3 ) – температура топлива, о С твердое : 20 о С (летом) и 0 о С (зимой) мазут : 90-140 о С в зависимости от вязкости природный газ : 20 о С Лекция 5 Теплоемкость мазута (раб. масса) Физическая теплота топлива Теплоемкость прир.газа (сухая масса) = 1,6 кДж/(К. м 3 )
для антрацита 0.981 каменных углей 0.962 бурых углей 1.088 фрезерного торфа 1.297 сланцев 1.04 Лекция 5 Теплоемкость сухой древесины , кДж /(кг·К)
, кДж/кг, – удельный расход пара на форсунку, который обычно принимается равным 0.03–0.05 кг/ кг (при номинальной нагрузке котла) и имеет давление 0.3–0.6 МПа и температуру 280–350 о С. – энтальпия пара, кДж/кг. 2500 кДж/кг – условно принимаемая энтальпия пара, содержащегося в уходящих газах. Лекция 5 Количество теплоты, вносимое с паром, используемым для распыливания мазута
D п, D пром, D пр – паропроизводительность котла, расход пара на промежуточный перегрев и расход котловой воды на продувку, кг/с; Лекция 4 – энтальпии перегретого пара, воды в состоянии насыщения и питательной воды, кДж/кг; – энтальпии пара на выходе и входе в промежуточный пароперегреватель, кДж/кг. [ кДж/с = кВт ] Полезное тепловосприятие рабочей среды в паровом котле
G в – расход воды через водогрейный котёл, кг/с Лекция 4 – энтальпии холодной и горячей воды (на входе и выходе водогрейного котла), кДж/кг , кДж/с = кВт Полезное тепловосприятие рабочей среды в водогрейном котле
где КПД котла брутто по обратному балансу Лекция 5 РАСХОД ТОПЛИВА НА КОТЁЛ
Вследствие механической неполноты сгорания не все топливо, поступающее в топку, полностью сгорает, что приводит к уменьшению количества газов – продуктов сгорания. Так как расчётные объёмы и энтальпии продуктов сгорания отнесены к 1 кг рабочего топлива, то для учета механического недожога условно полагают, что в топку поступает несколько меньшее количество топлива, т.е. тепловой расчет производят по расчетному расходу топлива (Влиянием химической неполноты сгорания пренебрегают). Лекция 5 Расчетный расход твёрдого топлива
В тепловом балансе котельного агрегата наибольшей является потеря теплоты с уходящими газами q 2, составляющая 4–8 % располагаемого тепла. Относительная потеря теплоты с уходящими газами абсолютная кДж/кг или кДж/м 3 Лекция 4 Потери теплоты с уходящими газами Т.к. воздух, поступающий в котлоагрегат, вносит в топку свою физическую теплоту, потерю тепла с уходящими газами определяют по разности энтальпий продуктов сгорания и холодного воздуха за котлом ( 30 о С ).
– коэффициент избытка воздуха в уходящих газах. – энтальпия действительного объёма уходящих газов и теоретического объёма холодного воздуха, кДж/кг или кДж/м 3. Так как теплоемкости основных компонентов дымовых газов различны, то их энтальпии при температуре о С подсчитываются отдельно Лекция 5
С зл – удельная (массовая) теплоёмкость золы, кДж/( кг.К )
Лекция 4 t, o C C возд уха сухого влажного 0 1,603 1,293 1,306 1,494 1,297 1,319 100 1,704 1,296 1,217 1,505 1,300 1,324 200 1,791 1,299 1,335 1,521 1,307 1,332 300 1,867 1,308 1,356 1,541 1,316 1,342 400 1,934 1,316 1,377 1,577 1,328 1,355 500 1,993 1,328 1,398 1,588 1,341 1,368 600 2,046 1,34 1,417 1,614 1,355 1,383 700 2,094 1,354 1,434 1,639 1,369 1,397 800 2,136 1,367 1,45 1,666 1,383 1,411 900 2,175 1,379 1,465 1,693 1,396 1,425 1000 2,209 1,392 1,478 1,721 1,408 1,437 Средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха и продуктов полного сгорания кДж/(м 3 К)
Энтальпия теоретического объема газов при температуре о С (кДж/кг или кДж/м 3 ). (кДж/м 3 К) – объёмные теплоемкости при постоянном давлении трехатомных газов (СО 2 ), азота, водяных паров, воздуха при данной температуре ( о С ). Лекция 5 Энтальпия действительного объёма продуктов сгорания
Энтальпия теоретически необходимого воздуха кДж/кг или кДж/м 3. Энтальпия дополнительного объема водяных паров в избыточном воздухе кДж/кг или кДж/м 3 Лекция 5 Величина мала даже для высококалорийных топлив, и ею обычно пренебрегают.
Энтальпия летучей золы невелика по сравнению с другими составляющими энтальпии газов. Поэтому ее следует учитывать лишь в том случае, когда приведённая величина уноса золы Лекция 5 Энтальпия золы кДж/кг – доля золы, уносимой газами из топки.
Реальные объемы дымовых газов меньше расчетных вследствие механической неполноты сгорания топлива. Поэтому разность энтальпий продуктов сгорания и холодного воздуха уменьшается на величину q 4. С повышением температуры уходящих газов потери тепла увеличиваются. При росте температуры уходящих газов на 12-16 0 С q 2 повышаются примерно на 1 %. Поэтому желательно иметь возможно более низкую температуру дымовых газов, покидающих котельный агрегат. Лекция 5
Однако глубокое охлаждение газов требует увеличения конвективных поверхностей нагрева и гидравлического сопротивления газоходов. Оптимальные значения температуры уходящих газов для различных топлив устанавливаются на основании технико-экономических расчетов, сравнивающих стоимость дополнительных поверхностей нагрева и увеличение затрат на собственные нужды котельных агрегатов с получаемой экономией топлива. Обычно для больших энергетических котлов температура уходящих газов 110-150 0 С. Лекция 5
Лекция 5
Лекция 4 Ограничения температуры уходящих газов снизу
Лекция 5 Помимо температуры, большое влияние на величину потери тепла с уходящими газами оказывает объем дымовых газов, покидающих котельный агрегат. Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке, а также присосы холодного воздуха обусловливают повышение объема уходящих газов, удаляемых в атмосферу, и их энтальпии. В результате потери тепла с уходящими газами увеличиваются. При этом несколько интенсифицируется конвективный теплообмен и возрастает гидродинамическое сопротивление в газоходах котла.
Процесс сжигания топлива не всегда идет полностью до образования продуктов полного сгорания: СО 2, S О 2 и Н 2 О. Иногда в дымовых газах содержатся и продукты неполного горения: СО, Н 2, СН 4, тяжелые углеводороды С m Н n. Лекция 5
Лекция 5 RO 2 – концентрация трёхатомных газов в сухих газах ( об.% );
Лекция 5 При содержании в продуктах сгорания только СО (кДж/кг ). Теплота, которая осталась химически связанной в газообразных продуктах неполного окисления смеси, содержащихся в дымовых газах, не используется в котельном агрегате и составляет потерю от химической неполноты сгорания (хим. недожога) где СО, RO 2 – измеренные газоанализатором концентрации оксида углерода и трехатомных газов в сухих газах ( об.% ). В КП можно использовать паспортное значение максимальной концентрации выбросов СО для выбранного котла. При этом вместо измеренных (RO 2 +CO) можно взять значение RO 2, рассчитанное для условий полного горения.
, м 3 /кг В камерных топках при сжигании всех видов топлив величина q 3 обычно не превышает 0.5%. Объем сухих газов для твердых и жидких топлив и для газообразных топлив (индекс "т" – компоненты топлива) , м 3 / м 3 В общем случае потерю теплоты от хим ического недожога ра ссчитывают на основании данных полного газового анализа продуктов сгорания , кДж/кг – концентрации продуктов неполного сгорания в сухих газах ( об.% )
Теплота сгорания углерода, содержащегося в твердых частицах топлива, унесённых дымовыми газами или удаленных из топки вместе со шлаком и провалом, не используется в котельном агрегате и составляет потерю от механической неполноты сгорания топлива. Механическая неполнота сгорания сопутствует сжиганию также жидких и газообразных топлив. Тяжелые углеводороды, содержащиеся в них, подвергаясь разложению, выделяют значительные количества свободного углерода в виде сажи. Особенно сильное сажеобразование наблюдается при горении вязких мазутов. Сажеобразование при сжигании твёрдых топлив иногда относят к потерям от химического недожога q 3. Лекция 5 Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива q 4
Лекция 5
Лекция 5 При сжигании твердых топлив в камерных топках величина q 4 находится в пределах 0.5—5 %. Механический недожог жидких и газообразных топлив существенно меньше 0.5% и в расчетах обычно не учитывается. – содержание горючих в (шлаке + провале) и уносе, %; a шл+пр, а ун, %. 32700 кДж/кг – теплота сгорания горючих (углерода) в шлаке, провале и уносе; 327 = 32700/100 ( перевод a шл+пр и а ун из % в доли единицы). Для определения доли золы топлива в уносе и содержания в них горючих соединений отбирают пробы летучей золы из дымовых газов.
Вид топок и котлов Топливо q 3, % q 4, % С неподвижной решеткой и ручным забросом топлива Бурые угли Каменные угли Антрациты AM и АС 2,0 2,0 1,0 8,0 7,0 10,0 Топки с пневмомеханическим забрасывателем и цепной решеткой прямого хода Угли типа кузнецких Угли типа донецкого Бурые угли 0,5-1,0 0,5-1,0 0,5-1,0 5,5/3 6/3,5 5,5/4 Топки с пневмомеханическими забрасывателями и цепной решеткой обратного хода Каменные угли Бурые угли 0,5-1,0 0,5-1,0 5,5/3 6,5/4,5 Топки с пневмомеханическими забрасывателями и неподвижной решеткой Донецкий антрацит Бурые угли типа подмосковных, бородинских Угли типа кузнецких 0,5-1,0 0,5-1,0 0,5-1,0 0,5-1,0 13,5/10 9/7,5 6/3 5,5/3 Шахтные топки с наклонной решеткой Дрова, дробленые отходы, опилки, торф кусковой 2 2 Топки скоростного горения Дрова, щепа, опилки 1 4/2 q 3 и q 4 для котлов малой мощности
q 3 и q 4 для паровых котлов большой мощности
Наружные поверхности топки и газоходов, опускные и пароотводящие трубы экранов, коллекторы экранов, пароперегревателей и водяных экономайзеров, барабаны, трубопроводы, воздухопроводы и газопроводы при работе котельного агрегата всегда имеют температуру, более высокую, чем окружающая среда. За счет конвекции (и частично излучения) происходят потери тепла этими поверхностями в окружающую среду ( q 5 ). Лекция 4 Потери теплоты от наружного охлаждения котельного агрегата Они зависят от размера и температуры его наружной поверхности, качества обмуровки и тепловой изоляции, а также от температуры окружающего воздуха. Для котла паропроизводительностью 900 т/час потери q 5 составляют около 0.2% и уменьшаются с ростом мощности котла.
Лекция5
Лекция 5
Лекция 5
Лекция5
Лекция 5 1 кВт = 3,6 МДж/ч
При определении количества теплоты, переданного продуктами сгорания поверхностям нагрева, учет потери тепла от наружного охлаждения производят путем введения коэффициента сохранения тепла Лекция 5
– теплоемкость и температура ( о С ) шлака. Лекция 4 В пылеугольных котлах с сухим шлакоудалением температура шлака невелика (600–700 о С ), и величина q 6 учитывается только для топлив с приведённой зольностью В топках с жидким шлакоудалением потери тепла с физическим теплом шлаков могут достигать нескольких процентов, так как температура жидкого шлака велика (до 1300–1600 о С ) Потеря с физической теплотой шлака
