91 Литература 96 Приложение 1 97 Приложение 2 98 Приложение 3 99
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
2.3.1 Материальный баланс процесса горения твердого и жидкого топлива Согласно закону Дальтона, горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении, определяемом из стехиометрических уравнений полного горения углерода, водорода и серы, записанных для одного 1 кг моля каждого горючего элемента а) C+O 2 =CO 2 ; б) H 2 +0,5 O 2 =H 2 O в) При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие составляющие окисляются полностью, те. в соответствии с реакциями (а, б, в. Из уравнения (а) следует, что для полного окисления одного моля углерода (молекулярная масса углерода µ С =12кг) расходуется моль кислорода, и образуется 1 моль двуокиси углерода CO 2 . Выразив газообразные составляющие (O 2 ив объемных единицах (объем 1 моля любого газа при нормальных условиях составляет 22,4 м, получим, что для полного сгорания 1 кг углеродапотребуется 22,4/12=1,866 м 3 кислорода, при этом образуется 57 м. При известном составе рабочей массы в кг топлива содержится (C r /100) кг углерода, а для его полного сгорания необходимо 1,866(C r /100) м 3 кислорода, и при этом образуется 1,866(C r /100) м Аналогично, из уравнения (б) на окисление водорода (кг, содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 0,5(22,4/2.02)(H r /100) м кислорода, при этом образуется 0,5(22,4/2,02)(H r /100) м водяного пара, а, как следует из уравнения (в, на окисление горючей серы (кг, и и образуется такой же объем SO 2 . (здесь и далее под S r будет подразумеваться содержание горючей, или летучей, серы. Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, который содержится в топливе (кг, после несложных преобразований получим формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого для полного сжигания кг твердого или жидкого топлива V o O2 =0,01(1,C r +5,55H r +0,7S r -0,7O r ), мкг (31) Объемная доля кислорода получается умножением массовой долина удельный объем кислорода, равный 22,4/32=0,7 мкг Как уже отмечалось, в воздухе содержится примерно 21% кислорода (по объему, поэтому количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания кг топлива V o =(100/21) V o O2 =0,0889 C r +0,265 H r +0,33 S r -0,033 O r , мкг (32) В результате полного сгорания топлива образуется газообразные продукты, которые состоят из CO 2 , SO 2 , H 2 O и N 2 . Оксиды углерода и серы являются сухими трехатомными газами, которые принято объединить и обозначить RO 2 =CO 2 +SO 2 58 При горении твердых и жидких топлив теоретические объемы продуктов сгорания вычисляются в соответствии со стехиометрическими уравнениями (а, б, в) с учетом содержания соответствующих компонентов в топливе и воздухе. Теоретический объем трехатомных газов в соответствии с уравнениями а, в мкг (33) Теоретический объем азота равен объему азота, поступившего с воздухом V возд N2 , и объему азота, выделяемого из топлива V T N2 : V O N2 =V возд N2 +V T N2 =0,79V O +(N r /100)(22,4/28)=0,79V O +0,8N O /100, мкг (34) Здесь первое слагаемое получается в результате того, что 21% воздуха те. кислород) расходуется на окисление горючих компонентов, а 79% представляет собой инертный азот. Таким образом, зная теоретический объем воздуха, легко определить теоретичексий объем азота, внесенного воздухом 0,79V O . Второе слагаемое, те. объем азота, внесенного с топливом, получается умножением массового содержания азота в топливе N r /100 на удельный объем азота, равный 22,4/28=0,8 мкг (молекулярная масса азота кг) Теоретический объем водяного пара V O H2O складывается из следующих составляющих Водяные пары, образующиеся при сгорании водорода, входящего в состав топлива V H H2O реакция б Водяные пары, образующиеся при испарении влаги топлива V W H2O ; Водяные пары, вносимые в топку с окислителем (воздухом) V возд H2O. Объем водяных паров, образующихся при сгорании водорода V H H2O , определяется в соответствии со стехиометрическим уравнением (б, те. при сгорании 1 моля водорода (кг) образуется 1 моль водяного парам, мкг (35) 59 Объем водяных паров, образующихся при испарении влаги, входящей в состав топлива V H H2O =(W r /100)υ H2O =0,0124W r , мкг (36) где υ H2O =22,4/18=1,24 -удельный объем водяного парам кг. Объем водяных паров, вносимых с воздухом, зависит от теоретического объема воздуха V O и его влагосодержания d в Влагосодержание воздуха выражается в кг влаги на кг воздуха. Для перевода в м необходимо умножить выражение на плотность воздуха в, а умножение на удельный объем водяного пара υ H2O мы добиваемся перевода массовых долей пара в объемные. V возд H2O =V O в в υ H2O = мкг , (37) где d в – влагосодержание воздуха (принимается d в кг влаги/кг воздуха, в кг/м 3 – плотность воздуха при t=0 °C. В итоге теоретический объем водяных паров : V H H2O =0,111H r +0,0124W r +0,0161V O , мкг (38) Примечание При паровом распылении мазута теоретический объем водяного пара увеличивается на объем водяного пара, подаваемого в форсунку V Ф H2O =G ф (22,4/18)=1,24G ф , (39) где ф – удельный расход пара на распыление мазута, кг пара/кг мазута. Суммарный теоретический объем продуктов сгорания V O r =V O RO2 +V o N2 +V O H2O , мкг (40) 2.3.2 Материальный баланс процесса горения газа. Газообразное топливо представляет собой смесь различных горючих и негорючих газов. Основными горючими составляющими большинства 60 газообразных топлив являются предельные углеводороды метанового ряда, а также водород, оксид углерода и иногда сероводород. Негорючий балласт газообразного топлива, как правило, состоит из двуокиси углерода, азота и кислорода. Для газообразного топлива материальный баланс составляет на 1м 3 сухого газа при нормальных условиях. Согласно закону Дальтона горючие составляющие газа вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении, определяемые из стехиометрических уравнений горения углеводородов (общая формула C m H n ), водорода H 2 , оксида углерода CO и сероводорода H 2 S, записанных для 1 кмоля каждого горючего элемента а) C m H n +(m+0,25n)O 2 =mCO 2 +0,5n H 2 O; б) H 2 +0,5 O 2 =H 2 O; в) CO+0,5 O 2 =CO 2 ; г) H 2 S+1,5 При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие составляющие окисляются полностью, те. в соответствии с реакциями (а, б, в, г. Из уравнения б, например, следует, что для полного окисления 1 моля водорода потребуется 0,5 моля кислорода, и образуется 1 моль водяного пара H 2 O. Объем 1 моля любого газа при нормальных условиях величина постоянная (22,4 м, следовательно, для полного сгорания м водорода потребуется 0,5 м 3 кислорода, при этом образуется м Тогда теоретический объем кислорода, необходимого для полного окисления водорода, входящего в состав газа (при известном объемном содержании водорода в газе H 2 T ,%), определяется как : мм газа, (41) при этом объем образовавшихся водяных паров (H 2 T /100), мм газа. (42) 61 Аналогично определяется объем кислорода, необходимого для полного окисления углеводородов, из уравнения (а) ∑(m+0,25n)C m H n T , оксида углерода из уравнения (в) 0,5CO T , сероводорода из уравнения (г) Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, который содержится в топливе O 2 T , получим выражения для определения объема кислорода, теоретически необходимого для полного сгорания м газа V O O2 =0,01(∑(m+0,25n)C m H n T +0,5H 2 T +0,5CO T +1,5H 2 S T -O 2 T ),м 3 O 2 /м 3 газа. Объем воздуха, теоретический необходимого для полного сгорания 1м 3 газообразного топлива (с учетом концентрации кислорода в воздухе V O =(100/21)V O O2 = 0,0476(∑(m+0,25n)C m H n T +0,5H 2 T +0,5CO T +1,5H 2 S T -O 2 T ), мм. (43) В результате полного сгорания топлива образуются газообразные продукты, состоящие из трехатомных газов, водяных паров и азота. Теоретические объемы продуктов сгорания вычисляют в соответствии со стехиометрическими уравнениями (а, б, в, гс учетом содержания соответствующих компонентов в топливе и воздухе. Теоретический объем трехатомных газов складывается из следующих составляющих V CO2 CmHn – объем CO 2 , образовавшегося в результате сгорания углеводородов по реакции (а V CO2 CO – объем CO 2 , образовавшегося в результате сгорания оксида углерода по реакции (в V SO2 H2S – объем SO 2 , образовавшегося в результате сгорания сероводорода по реакции (г V CO2 T – объем CO 2 , входящего в состав топлива. Таким образом, с учетом стехиометрических коэффициентов, теоретический объем трехатомных газов V O RO2 = V CO2 CmHn +V CO2 CO +V SO2 H2S +V CO2 T = =0,01(∑Mc мм газа (44) 62 Теоретический объем азота равен сумме объема азота, поступившего с воздухом V возд N2 , и объема азота, входящего в состав газообразного топлива V T N2 : V O N2 =V возд N2 +V T N2 =0,79V O +0,01N 2 T ,м 3 м газа. (45) Теоретический объем водяных паров V O H2O складывается из следующих составляющих V H2O CmHn – водяные пары, образующиеся при сгорании углеводородов по реакции (а V H2O H2 – водяные пары, образующиеся при сгорании водорода по реакции б V H2O H2S – водяные пары, образующиеся при сгорании сероводорода по реакции (г V H2O T –υ H2O ∙d г г – водяные пары, внесённые в зону горения с топливом (газом) – здесь d г кг/м 3 - влагосодержание газа В – водяные пары, внесенные в зону горения с воздухом. Объем водяных паров, вносимых с воздухом, зависит от теоретического объема воздуха V O и его влагосодержания d в В d в ρ в υ H2O =0,0161V O мм газа, (46) где d в кг влаги/кг воздуха – влагосодержание воздуха в кг/м 3 – плотность воздуха мкг – удельный объем водяного пара. Таким образом, теоретический объем водяных паров В =0,01(∑0,5n C m H n T +H 2 T +H 2 S T )+1,24d r +0,0161V O , мм газа. (47) Суммарный теоретический объем продуктов сгорания V O r =V O RO2 +V O N2 +V O H2O , мм (48) 63 2.3.3 Действительный объем воздуха и продуктов сгорания В процессе горения, по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций, выгорания замедляется. Условия реагирования ухудшаются также в связи со сложностью перемешивания больших количеств топлива и окислителя. Таким образом, в связи с несовершенством аэродинамики топочных устройств и невозможностью идеального (те. на молекулярном уровне) смешения топлива окислителя в реальных условиях, для полного сгорания топлива необходимо несколько большее количество воздуха, чем теоретический объем воздуха, полученный из стехиометрических уравнений горения. Как уже отмечалось, отношение действительного объема V к теоретически необходимому V O называется коэффициентом избытка воздуха Таким образом, действительный объем воздуха, поступающего в зону горения V= α V O или V = V O + (α-1) V O , (49) где (α-1) V O – избыточный воздух. Действительный объем продуктов сгорания будет больше теоретического за счет азота, кислорода и водяного пара, содержащихся в избыточном воздухе. Так как воздух практически не содержит трёхтомных газов, то их объем не зависит от коэффициента избытка воздуха и остается постоянным, равным теоретическому V RO2 =V O RO2. (50) В реальных условиях при любом (сколь угодно большом) значении коэффициент избытка на окислении горючих компонентов пойдет лишь тот объем, который теоретически необходим, согласно стехиометрическим 64 соотношениям, а весь избыточный воздух добавится к продуктам сгорания. Поэтому речь уже пойдет не об объеме азота, а об объеме двухатомных газов, ведь, кроме азота, избыточный воздух содержит и кислород. Объем двухатомных газов включает в себя теоретический объем азота и избыточный воздух V R2 =V O N2 +(α-1)V O . (51) Действительный объем водяных паров увеличивается (по сравнению с теоретическим) на количество водяных паров, внесенных с избыточным воздухом V H2O =V O H2O +0,0161(α-1)V O (52) Суммарный объем продуктов сгорания V г =V RO2 +V R2 +V H2O =V O г +1,0161(α-1)V O (53) 2.4 Тепловой баланс процесса горения Эффективность использования топлива в топочном устройстве определяется двумя основными факторами полнотой сгорания топлива в топочной камере и глубиной охлаждения продуктов сгорания. Распределение вносимой в топку теплоты на полезно используемую и тепловые потери производится путем составления теплового баланса. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива либо нам газообразного топлива. Располагаемая теплота Q p =Q r i +i тл +Q ф +Q в.вн ,кДж/кг(кДж/м 3 ) (54) где Q r i – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива i тл - физическая теплота топлива ф – теплота, вносимая в топку с паровым дутьем или при 65 паровом распылении мазута Q в.вн – теплота, внесенная в топку воздухом при его подогреве вне котла. Для большей части достаточно сухих и малосернистых твёрдых топлив принимается р = Q i r , а для газового топлива – Q p = Q i d . Для твёрдых топлив с высоким содержанием влаги и жидких топлив учитывается физическая теплота топлива i тл, которая зависит от температуры и теплоёмкости поступающего на горение топлива i тл =c тл t тл , (55) где с тл – удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг∙°C); t тл – температура топлива, СВ летний период времени температура топлива принимается равной t тл = 20 С, а теплоёмкость топлива определяется по формуле C тл =0,042 W r t +c d тл (1-0,01W r t ), кДж/(кг∙ °C) (56) Теплоёмкость сухой массы топлива с d тл составляет- для бурых углей – 1,13 кДж/(кг∙ С - для каменных углей – 1,09 кДж/(кг∙°С); - для углей А, ПАТ кДж/(кг∙°С). В зимний период принимается t тл = 0 Си физическая теплота топлива не учитывается. Температура мазута для обеспечения тонкого распыла в форсунках котельного агрегата должна быть достаточно высокой. Обычно она составляет t тл = 90÷140 °С Теплоёмкость мазута c тл =1,74+0,0025t тл , кДж/(кг С. При распылении мазута с помощью паромеханических форсунок в топку котельного агрегата вместе с разогретым мазутом поступает пар, который вносит в топку дополнительную теплоту ф, определяемую по формуле Q ф =G ф (i ф, кДж/кг, (57) где ф – удельный расход пара на 1 кг мазута, кг пара/кг мазута ф – 66 энтальпия пара, поступающего в форсунку, кДж/кг. Параметры пара, поступающего на распыл мазута Р = 0,3÷0,6 МПа, t = 280÷350 С, удельный расход параф кг пара/кг мазута В случае предварительного (внешнего) подогрева воздуха в калориферах перед его поступлением в воздухоподогреватель котельного агрегата, теплота такого подогрева Q в.вн включается в располагаемую теплоту топлива и рассчитывается по формуле Q в.в = β В (I O` В -I O XB ), (58) где в – отношение количества предварительно подогретого воздуха к теоретически необходимому I o XB – энтальпия теоретического объёма холодного воздуха I о` в – энтальпия теоретического объёма воздуха на входе в воздухоподогреватель. Располагаемая теплота р расходуется на производство полезной теплоты Q 1 и тепловые потери на 1 кг твердого или жидкого топлива либо нам газообразного топлива Q p = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 , (где Q 1 – полезно используемая теплота Q 2 – потери теплоты с уходящими газами Q 3 - потери теплоты с химической неполнотой сгорания топлива – потери теплоты с механической неполнотой сгорания Q 5 – потери теплоты в окружающую среду через обмуровку; Q 6 – потери с физической теплотой шлака. Разделив правую и левую части формулы (10) на Q p и умножив на %, получим уравнения теплового баланса в следующем виде q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 = 100 % , (60) где q 1 – доля полезно использованной теплоты, %, q 2 – q 6 – потери теплоты, выраженные в %. 67 Коэффициент полезного действия котла η ка q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 )=100-∑ q i n i̇=1 (61) Большая часть теплоты, вносимой в топку, воспринимается поверхностями нагрева и передается рабочему телу. За счет этой теплоты производится подогрев воды до температуры кипения, ее испарение и перегрев пара. Это полезно используемая теплота. Остальная часть составляет тепловые потери. Полное количество теплоты, полезно использованной в котле - для водогрейного котла Q 1 =D в (i `` в -i ` в ),кВт, (62) где в – расход воды через котел, кг/с; i′ в, i′′ в энтальпия воды на входе и на выходе из котла, кДж/кг; - для парового котла пе пе пв )+D пр (i кип пв ), кВт, (63) где пе – расход перегретого пара, кг/с; пр – расход продувочной воды, кг/с; i пе – энтальпия перегретого пара, кДж/кг; iпв – энтальпия питательной воды, кДж/кг; i кип – энтальпия кипящей воды, кДж/кг Наибольшими из потерь в котельном агрегате, как правило, являются потери теплоты с уходящими газами (64) Химическая неполнота сгорания топлива может являться следствием Общего (или местного) недостатка воздуха (α T ); 68 Плохого смесеобразования (способ сжигания топлива, конструкция горелочного устройства Низких или высоких значений теплонапряжения топочного объема q v = B p Q i r /V m (в первом случае – низкая температура в топке во втором – уменьшение времени пребывания газов в объеме топки и невозможность в связи с этим завершением реакции горения. Потери теплоты с химическим недожогом зависят от вида топлива, способа его сжигания, конструкция горелок, аэродинамики камеры сгорания и принимаются на основании опыта эксплуатации котельных агрегатов. Потери теплоты с химическим недожогом определяются суммарной теплотой сгорания продуктов неполного окисления горючей массы топлива (65) где CO,CH 4 ,H 2 – объемный концентрации продуктов неполного сгорания топлива в сухих продуктах сгорания, %; V сг – объем сухих продуктов сгорания, мкг. Потери теплоты с химическим недожогом зависят от коэффициента избытка воздуха (рис) и нагрузки топочного устройства (рис) Рисунок 7 – Зависимость потерь теплоты и КПД от коэффициента избытка воздуха 69 Рисунок 8 – Зависимость потерь теплоты и КПД от тепловой мощности котла Наличие химического недожога при α = 1 определяется несовершенством аэродинамики современных горелочных устройств и камер сгорания, не позволяющих достичь идеального (на молекулярном уровне) перемешивания топлива с воздухом. При коэффициенте избытка воздуха α кр (кривая q 3 ) химический недожог не возникает. Обычно кр = 1,02÷1,03, что и характеризует степень аэродинамического несовершенства горелочного устройства. Механический недожог при сжигании твёрдых топлив (торфа, углей, сланцев) представляет собой коксовые частицы, которые покидают зону высоких температур, не успев полностью догореть. Механический недожог при сжигании газа и мазута может иметь место также в виде твердых частиц или сажи, возникающих в высокотемпературной зоне при недостатке кислорода. В нормальных условиях эксплуатации потери с механическим недожогом при сжигании твердых топлив составляют q 4 =0,5÷5 %. При сжигании газа и мазута потери с мехнедожогом невелики (как правило, менее 1 %). 70 При камерном сжигании твердого топлива потери теплоты с механической неполнотой сгорания q 4 подразделяются на потери с уносом q 4 уни со шлаком q шл 4 , при этом преобладающую часть составляет q 4 ун Потери q 4 существенно зависят от коэффициента избытка воздуха. При избытке воздуха ниже оптимального недожог определяется неполнотой перемешивания топлива с воздухом на выходе из горелки и развитием зон с недостатком кислорода, хотя температурный уровень достаточно высок. При α > α опт наблюдается снижение температуры в зоне горения и замедление реакций окисления. Одновременно уменьшается время пребывания частиц в высокотемпературной зоне ввиду увеличения объёма продуктов сгорания. Повышенные потери q 4 у низкореакционных топлив определяются поздним воспламенением коксовых частиц и затянутым горением в кинетической области, в связи с этим низкореакционные топлива весьма чувствительны к режиму эксплуатации. Потери теплоты с механической неполнотой сгорания рассчитываются по формуле (66) где шли α ун – соответственно, доли золы в шлаке ив уносе Г шл и Г ун – содержание горючих в шлаке и уносе, %; 32,7 – теплота сгорания коксовых частиц в шлаке и уносе, МДж/кг. Значение потерь теплоты в окружающую среду от наружного охлаждения составляет от 0,2 до 2,5 %. Потери теплоты с физической теплотой шлака определяются по формуле (67) где (ct) зл – произведение температуры и теплоемкости шлака. 71 При снижении тепловой нагрузки котла происходит некоторое падение температуры уходящих газов, что приводит к уменьшению потерь теплоты с уходящими газами (см. рис. 3). Потери теплоты с химическими механическим недожогом увеличиваются с уменьшением тепловой нагрузки из-за ухудшения процесса смешения топлива и воздуха при пониженных скоростях. Удельные потери теплоты через обмуровку также увеличиваются, поскольку абсолютное значение этих потерь теплоты остается практически неизменным, а тепловая нагрузка уменьшается. Таким образом, из-за различной зависимости тепловых потерь от нагрузки оказывается, что при пониженной нагрузке КПД котельного агрегата достигает максимального значения (см. рис. Расход топлива В, подаваемого в топочную камеру котельного агрегата, можно определить из баланса между располагаемой и полезной теплотой (68) |