4_Materialnye_balansy_protsessa_gorenia
.pdf64
4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
На рис. 4.1 показана схема материальных балансов рабочих веществ в котле. Материальный баланс процесса горения рассмотрен применительно к сжиганию твердого топлива с получением газообразных и твердых продуктов сгорания.
|
|
D |
|
|
|
L2 |
|
|
Gпр |
L3 |
|
|
|
|
|
|
L1 |
Gпв |
|
|
|
|
|
LВ |
|
G |
зл.ч |
|
LГ |
||
|
|
LВ |
|
В
Gзл1 |
Gзл2 |
Gзл3 |
Рис. 4.1. Схема материальных балансов рабочих веществ в котле: 1 – топочная камера; 2 – испарительные поверхности нагрева; 3 – экономайзер; 4 – пароперегреватель; 5 – воздухоподогреватель; 6 – золоуловитель
В приходной части баланса процесса горения – количество топлива B , кг/с, и окислителя – воздуха Lв , кг/с, организованно поступающие в топку для
сжигания, а также воздух, подсасываемый (при работе под разряжением) по тракту котла в топку – L1 , и балластный воздух L2 и L3 , не участвующий
впроцессе горения топлива.
Врасходной части материального баланса в общем виде – газообразные продукты сгорания, покидающие котел, Lг , кг/с, и твердые минеральные
остатки – зола (шлак), выпадающие по тракту (Gзл1 ,Gзл2 ), улавливаемые в золоуловительной установке (Gзл3 ), кг/с.
В общем случае уравнение материального баланса процесса горения топлива в котле имеет вид
B + Lв + å L = Lг + åGзл . |
(4.1) |
65
При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие (åGзл ). При
работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха ( å L ).
4.1. Теоретический расход воздуха на горение
При горении топлива горючие элементы взаимодействуют с окислителем, т.е. с кислородом, и образуют соответствующие окислы CO2 , SO2 , H2O.
Так как 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 стехиометрическим, а коли-
чество поданного воздуха – теоретически необходимым Vв0 , м3/кг или м3/м3.
Необходимое для полного сгорания топлива количество кислорода, объемы и массовые количества продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения для 1 моля горючего. Так, для углерода можно записать
C+O2 =CO2 |
|
12 кг C + 32 кг O2 = 44 кг CO2 . |
(4.2) |
Для 1 кг углерода получим |
|
1 кг C + 2,67 кг O2 = 3,67 кг CO2 ; |
(4.3) |
Итак, для полного сжигания 1 кг углерода требуется 2,67 кг кислорода и при этом образуется 3,67 кг углекислого газа и т. д.
для серы и водорода соответственно
S+O2 =SO2 |
|
1 кг S + 1 кг O2 = 2 кг SO2 ; |
(4.4) |
2H2 +O2 =2H2O |
|
1 кг H2 + 8 кг O2 = 9 кг H2O. |
(4.5) |
Суммарная потребность в кислороде, кг, при полном сгорании 1 кг рабочей массы твердого или жидкого топлива с учетом кислорода, имеющегося в самом топливе, равна, кг/кг
66
L0 |
= 2,67Cр /100 + 8H |
р /100 + Sр |
/100 − Oр /100 . |
(4.6) |
O2 |
|
л |
|
|
С учетом того, что в воздухе содержится 21 % кислорода по объему, после подстановки удельной массы кислорода ρO2 = 1,429 кг/м3 и соответст-
вующих преобразований получаем формулу для определения количества
теоретически необходимого воздуха, м3/кг
Vв0 |
= 0,0889(Cр + 0,375Sрл ) + 0,265Hр − 0,0333Oр . |
(4.7) |
В массовом выражении, кг/кг |
|
|
L0в |
= 0,115(Cр + 0,375Sрл ) + 0,342Hр − 0,0431Oр . |
(4.8) |
Для горючих газов Vв0 определится как сумма теоретически необхо-
димых количеств воздуха, потребного для полного сжигания отдельных компонентов газа, м3/м3.
4.2. Теоретические объемы продуктов сгорания
При полном сгорании топлива образуются только продукты полного окисления горючих элементов – CO2 , SO2 , H2O и азот воздуха N2 .
Теоретический объем продуктов сгорания, Vг0 , м3/кг, равен
V 0 |
= V |
+V 0 |
+V 0 |
. |
(4.9) |
г |
RO2 |
N2 |
H2O |
|
|
Суммарный теоретический объем трехатомных газов CO2 и SO2 обозначен символом VRO2 , м3/кг, и записывается
|
VRO2 = VCO2 +VSO2 . |
(4.10) |
Эта величина для твердых (кроме сланцев) и жидких топлив равна |
||
VRO2 |
= 1,866 (Cр + 0,375Sрл ), |
(4.11) |
|
100 |
|
где VCO2 и VSO2 подсчитывают по (4.3) и (4.4).
67
Теоретический объем азота V 0 , м3/кг, обусловлен азотом, входящим в
N2
теоретически необходимое для горения количество воздуха, и азотом топлива.
Тогда
V 0 |
= 0,79V 0 + 0,8 |
Nр |
, |
(4.12) |
||||
|
||||||||
N2 |
|
в |
100 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
где 0,8 =1/ ρN2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Теоретический объем водяных паров, V 0 |
, м3/кг, для твердых и жидких |
|||||||
топлив |
|
|
H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V 0 |
= V H |
+V W |
+V в |
|
, |
(4.13) |
||
H2O |
H2O |
H2O |
|
|
H2O |
|
|
где объем водяных паров, образующийся при сжигании водорода
V H |
= 9H |
р /100ρ0 |
= 0,111Hр , |
(4.14) |
H2O |
|
H2O |
|
|
объем водяных паров, образующийся за счет испарения рабочей влаги
V W |
= W р /100ρ0 |
= 0,0124W р , |
(4.15) |
H2O |
H2O |
|
|
объем водяных паров, привнесенный с атмосферной влагой в теоретическом объеме
V в |
= V 0 |
ρ |
d /ρ0 |
= 0,0161V 0 . |
(4.16) |
H2O |
в |
в |
H2O |
в |
|
Здесь ρв , ρH2O , d – плотность сухого воздуха, то же водяного пара (кг/м3) и
содержание влаги в воздухе, обычно d = 0,01 кг паров на 1 кг воздуха. Иногда требуются и другие данные, как-то:
а) при паровом распыливании мазута необходимо учитывать объем форсуночного распыливающего пара Gф /ρH2O , м3/кг, где Gф – расход пара на
распыливание мазута, кг/кг; ρH2O = 0,804 кг/м3 – плотность водяного пара при
атмосферном давлении; б) часто требуется оценка парциальных давлений трехатомных газов
rRO2 и rH2O , МПа (кгс/см2)
rRO2 = VRO2 /Vг ; rH2O = VH2O /Vг ; |
(4.17) |
68
в) концентрация золы в продуктах сгорания, г/м3, равная
μ =10Aр a |
ун |
/V |
(4.18) |
|
г |
|
где aун – доля золы, уносимой с газами и в среднем равной для топок слоевых
0,2–0,3, для пылеугольных – 0,60–0,95;
г) при сжигании сланцев карбонаты кальция, магния и железа образуют, кроме окислов металла, еще и карбонатную CO2 , которую следует прибав-
лять к вычисленному выше VRO2 :
VRO2к = VRO2 + 0,509(CO2 )к k /100 |
(4.19) |
где (CO2 )к – двуокись углерода в карбонатах, %; k – степень разложения
карбонатов, при слоевом сжигании равная, примерно 0,7, при камерном – 1. Количество продуктов сгорания при сжигании газового топлива рас-
считывают также по стехиометрическим соотношениям для отдельных горючих компонентов.
4.3.Действительные объемы продуктов сгорания
Вдействительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (2–3 с). Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы парового котла, действительный объем воздуха в зоне горения всегда поддерживают несколько больше теоретического. Отношение этих объемов на-
зывают коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания
α = |
Vд |
. |
(4.20) |
|
|||
V 0 |
|
||
|
в |
|
В практике значение коэффициента избытка воздуха фиксируют на выходе из топочной камеры и обозначают αт . Доля избыточного воздуха в топ-
ке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает. Оно относится по условиям горения к реакционным топливам, поэтому нуждается в меньшем избытке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих. Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигается при использовании
69
газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного н того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.
Расчетный коэффициент избытка воздуха αт нормируется в зависимо-
сти от указанных факторов. Обычно его принимают для разных топлив в следующих пределах:
для твердых |
1,15–1,25 |
для жидких |
1,02–1,1 |
для газовых |
1,05–1,1 |
Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает КПД котла. Однако его уменьшение ниже расчетного значения αт ведет к быстрому росту недожога топлива и сниже-
нию экономичности котла. При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки αт равен его значению в горелке αгор и сохраня-
ется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными (исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель).
При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через возникающие неплотности (чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла).
За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов (рис. 4.2). Присосы определяются в долях от теоретически необходимого количества воздуха
Δα |
i |
= |
Vi , |
(4.24) |
|
|
V 0 |
|
|
|
|
|
в |
|
где Vi – объем присосанного воздуха в пределах i -той поверхности нагрева
парового котла.
Тогда избыток воздуха за i -той по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как
αi = αт + åΔαi . |
(4.25) |
В топочной камере также имеют место присосы воздуха Δαт . С учетом этого избыток воздуха в зоне горелок будет составлять
70
Δα пар на
пе КПП турбину
α′′ |
|
|
|
|
пп |
|
|
ВЭ |
α′′ |
αвэ |
|
ШПП |
питательная |
||
горячий |
|
вэ |
вода |
|
|
||
Δαт |
|
|
|
воздух |
|
|
|
αт |
|
|
αвп |
ВЗП |
|
|
|
|
|
|
холодный |
|
|
|
воздух |
α |
ух |
= |
α′′ |
|
|
вп |
Рис. 4.2. К определению присосов воздуха и коэффициента избытка воздуха по газоходам котельного агрегата
αгор = αт − Δαт . |
(4.26) |
Когда котел работает не под наддувом, а с уравновешенной тягой и в газоходах под воздействием дымососов устанавливается разрежение, тогда действительное количество воздуха растет от топки и до самого дымососа за счет присоса воздуха через наружные ограждения котла. Присосы по основным элементам котла для номинальной паропроизводительности принимают: для слоевых механических и ручных топок αт = 0,1–0,3; для камерных то-
пок в зависимости от обшивки |
αт = 0,03–0,1; пароперегревателя |
αпе |
= |
0,03; стального экономайзера αэк |
= 0,02; трубчатого стального воздухопо- |
||
догревателя αвп = 0,03–0,06; регенеративного воздухоподогревателя |
αрвп |
= |
0,2–0,25.
При работе системы пылеприготовления имеют место свои присосы воздуха, и тогда при подсчете потребного количества Vпер – первичного и
Vвтор – вторичного воздуха необходимо произвести подсчет воздушного ба-
ланса системы пылеприготовления и котла.
Подсчет объемов продуктов сгорания топлива производится согласно рекомендациям величин αт и присосам холодного воздуха α по участкам
газового тракта. В этом случае считают, что процесс горения топлива идет до полного окисления его горючих составляющих.
71
В реальных условиях вследствие недостаточного избытка воздуха или при плохом перемешивании топлива с воздухом в продуктах сгорания может образоваться некоторое количество продуктов неполного горения – CO , а иногда – CH4 и H2 .
Если учитывать, что процесс горения, как правило, заканчивается в топочной камере (топке), объем трехатомных газов не изменяется по всему тракту дымовых газов. Избыточное по отношению к теоретически необходимому количество воздуха приводит к увеличению в продуктах сгорания объ-
ема водяных паров на величину |
|
V |
, м3/кг или м3/м3: |
|
|
|
|
H2O |
|
|
|
V |
|
= 0,0161(α −1)V 0 . |
(4.21) |
||
H2O |
|
|
в |
|
|
и появлению в них избыточного воздуха V , м3/кг или м3/м3: |
|
||||
|
|
|
|
в |
|
|
|
V = (α −1)V 0 . |
(4.22) |
||
|
|
в |
|
в |
|
Действительный объем продуктов сгорания таким образом |
|
||||
V = V |
0 +1,0161( |
α −1)V 0 . |
(4.23) |
||
г |
г |
|
в |
|
|
V = V |
+ V 0 |
+ V |
+ (α −1)V 0 . |
(4.24) |
|
г RO2 |
|
N2 |
H2O |
в |
|
Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом – путем определения процентного содержания RO2 =CO2 +SO2 в сухих газах при известном для данного топлива максималь-
но возможном значении ROмакс2 . Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при α = 1 и O2 = 0):
ROмакс2 |
= |
|
21 |
, |
(4.25) |
|
(1 |
+ βт ) |
|||||
|
|
|
|
где βт – топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива
βт |
= 2,35 Hp − 0,126Op +0,038Np . |
(4.26) |
|
Cp +0,375Sp |
|
Значения ROмакс2 для видов топлив находятся довольно в узких пределах: для
твердых – 18–20%; для мазута – 16–17%; для природного газа – 11–13%.
В этом случае для определения избытка воздуха используют углекислотную формулу
72
|
ROмакс2 |
|
a = |
RO2 . |
(4.27) |
Значение RO2 определяют в составе исследуемого газа ручным газоанализа-
тором либо на хроматографе.
В настоящее время наиболее широко применяется прямой метод определения избыточного кислорода в потоке дымовых газов. В этом случае контроль за избытком воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. Прибор показывает количество O2 в процентах от объема
осушенных газов.
Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:
|
0,21(a -1)V 0 |
|
|
O2 = |
в |
100. |
(4.28) |
|
|||
|
Vс.г |
|
С учетом ранее сказанного объем Vс.г @ aVв0 , тогда
O2 |
= |
21(a -1) |
(4.29) |
|
a |
||||
|
|
|
и окончательно искомое значение избытка воздуха
|
21 |
|
a = |
21- O2 . |
(4.30) |
Если в дымовых газах есть заметное количество продуктов неполного сгорания (CO , H2 ) , то нельзя весь кислород считать избыточным. Часть его
должна быть израсходована на окисление этих продуктов. Тогда формула (4.30) примет вид:
a = |
|
|
21 |
|
|
, |
(4.31) |
21- éO |
2 |
- 0,5(CO+H |
2 |
)ù |
|||
ë |
|
û |
|
|
где CO , H2 – процентное содержание в газах продуктов химического недо-
жога. Их количество определяется методами газовой хроматографии. Контроль за избытком воздуха на котле обычно осуществляют в двух
точках газового тракта: в поворотной камере (или за конвективным паропере-
73
гревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O2 в поворот-
ной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере.
4.4. Энтальпии продуктов сгорания воздуха
Pacчeт энтaльпий прoдуктoв cгoрaния нeoбxoдим для oпpeдeлeния тeплoвocпpиятия пoвepxнocтeй нaгpeвa и измeнeния тeплocoдepжaния гaзoвoгo пoтoкa. Пpи тeплoтexничecкиx pacчeтax пpинятo yдeльнyю
энтaльпию пpoдyктoв cгopaния опpeдeлять для oбъeмa гaзoв, пoлyчaющeгocя пpи cгopaнии 1 кг или 1 м3 тoпливa, и yдeльнyю энтaльпию
вoздyxa тaкжe oтнocить к eгo oбъeмy, нeoбxoдимoмy для cжигaния 1 кг или 1 м3 тoпливa. Oбычнo этo знaчeниe энтaльпии oбoзнaчaeтcя бyквoй H и выpaжаетcя в кДж/м3. Taк кaк тeплoeмкocти oтдeльныx гaзoв в cocтaвe
пpoдyктoв cгopaния paзличны, тo энтaльпии кoмпoнeнтoв дымoвыx гaзoв пoдcчитывaютcя oтдeльнo и зaтeм cyммиpyютcя. Taк, энтaльпия тeopeтичecкoгo oбъeмa пpoдyктoв cгopaния пpи тeмпepaтype гaзoв ϑ, °C, со-
ставляет:
|
Hг0 = (VRO2 cCO2 + VN2 cN2 + VH2OcH2O )ϑ . |
(4.32) |
||
где cCO2 , |
cN2 , cH2O – объемные теплоемкости отдельных компонентов дымо- |
|||
вых газов, взятые при расчетной температуре газов ϑ, кДж/(м3∙К). |
|
|||
Энтальпия газового потока при избытке воздуха α > 1 определяется |
||||
как |
|
|
|
|
|
Hг = Hг0 + Hв + Hзл |
= Hг0 + (α −1) Hв0 + Hзл . |
(4.33) |
|
Здесь Hв0 |
– энтальпия теоретического объема воздуха при температуре газо- |
|||
вого потока: |
|
|
|
|
|
H 0 =V 0 |
с ϑ, |
(4.34) |
|
|
в |
в |
в |
|
где св – объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м3∙К). Последний член уравнения (4.33) Hзл учитывает энтальпию золовых частиц в потоке:
Hзл |
= (сϑ) |
|
Ap aун |
, |
(4.35) |
|
зл |
100 |
|||||
|
|
|
|