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 на 1 м³ газообразного топлива.

Располагаемая теплота:

, кДж/кг (кДж/ м³),

где – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива; i_тл - физическая теплота топлива; Q_ф – теплота, вносимая в топку с паровым дутьем или при 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 Q_р = , а для газового топлива – .

Для твёрдых топлив с высоким содержанием влагии жидких топливучитывается физическая теплота топлива i_тл, которая зависит от температуры и теплоёмкости поступающего на горение топлива:

i_тл = с_тлt_тл,

где с_тл – удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг×°C); t_тл – температура топлива, °С.

В летний период времени температура топлива принимается равной t_тл = 20 °С, а теплоёмкость топлива определяется по формуле:

, кДж/(кг· °С).

Теплоёмкость сухой массы топлива составляет:

- для бурых углей – 1,13 кДж/(кг∙ °С);

- для каменных углей – 1,09 кДж/(кг·°С);

- для углей А, ПА, Т – 0,92 кДж/(кг·°С).

В зимний период принимается t_тл = 0 °С, и 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 , 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 Q_ф, определяемую по формуле:

Q_ф = G_ф (i_ф – 2380), кДж/кг,

где G_ф – удельный расход пара на 1 кг мазута, кг пара/кг мазута; i_ф – 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 пара G_ф = 0,03÷0,05 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:

,

где b_в – отношение количества предварительно подогретого воздуха к теоретически необходимому; – энтальпия теоретического объёма холодного воздуха; – энтальпия теоретического объёма воздуха на входе в воздухоподогреватель.

Располагаемая теплота Q_р расходуется на производство полезной теплоты Q₁ и тепловые потери на 1 кг твердого или жидкого топлива либо на 1 м³ газообразного топлива:

, (10)

где Q₁ – полезно используемая теплота; Q₂ – потери теплоты с уходящими газами; Q₃ - потери теплоты с химической неполнотой сгорания топлива; Q₄ – потери теплоты с механической неполнотой сгорания; Q₅ – потери теплоты в окружающую среду через обмуровку; Q₆ – потери с физической теплотой шлака.

Разделив правую и левую части формулы (10) на Q_p и умножив на 100 %, получим уравнения теплового баланса в следующем виде:

,

где q₁ – доля полезно использованной теплоты, %, q₂ – q₆ – потери теплоты, выраженные в %.

Коэффициент полезного действия котла:

.

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

, кВт,

где D_в – расход воды через котел, кг/с; , – энтальпия воды на входе и на выходе из котла, кДж/кг;

- для парового котла

, кВт,

где D_пе – расход перегретого пара, кг/с; D_пр – расход продувочной воды, кг/с; i_пе – энтальпия перегретого пара, кДж/кг; i_пв – 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:

где и - соответственно, энтальпия уходящих газов и теоретического количества холодного воздуха; - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.

В продуктах сгорания топлива могут находиться газообразные горючие компоненты СО, Н₂, СН₄ (продукты химического недожога), догорание которых за пределами топочной камеры вследствие низких температур практически невозможно.

Химическая неполнота сгорания топлива может являться следствием:

· общего (или местного) недостатка воздуха (α_т);

· плохого смесеобразования (способ сжигания топлива, конструкция горелочного устройства);

· низких или высоких значений теплонапряжения топочного объема (в первом случае – низкая температура в топке; во втором – уменьшение времени пребывания газов в объёме топки и невозможность в связи с этим завершения реакции горения).

Потери теплоты с химическим недожогом зависят от вида топлива, способа его сжигания, конструкции 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:

100, %,

где СО,СН₄, Н₂ – объёмные концентрации продуктов неполного сгорания топлива в сухих продуктах сгорания, %; V_сг – объем сухих продуктов сгорания, м³/кг.

Потери теплоты с химическим недожогом зависят от коэффициента избытка воздуха (рис. 2) и нагрузки топочного устройства (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость потерь теплоты и КПД

от коэффициента избытка воздуха

Рис. 3. Зависимость потерь теплоты и КПД

от тепловой мощности котла

Наличие химического недожога при a = 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 a_кр (кривая q₃) химический недожог не возникает. Обычно a_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 q₄ = 0,5÷5 %. При сжигании газа и мазута потери с мехнедожогом невелики (как правило, менее 1 %).

При камерном сжигании твердого топлива потери теплоты с механической неполнотой сгорания q₄ подразделяются на потери с уносом и со шлаком , при этом преобладающую часть составляет .

Потери q₄ 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 a > a_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 q₄ 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:

где а _шл и а _ун – соответственно, доли золы в шлаке и в 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 q₅ составляет от 0,2 до 2,5 %.

Потери теплоты с физической теплотой шлака определяются по формуле:

где - произведение температуры и теплоёмкости шлака.

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 химическим и 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.3).

Расход топлива В, подаваемого в топочную камеру котельного агрегата, можно определить из баланса между располагаемой и полезной теплотой:

, кг/с или м³/с.

Расчетный расход топлива с учетом механической неполноты сгорания:

, кг/с.

Коэффициент полезного действия котла (брутто) по прямому балансу: