ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Параметры процесса горения топлива

Сжигание любого топлива есть процесс окисления органической части топлива с образованием продуктов сгорания. В качестве окислителя, как правило, используется атмосферный воздух, точнее кислород воздуха. Практически все расчеты необходимых количеств воздуха для горения, образующихся продуктов сгорания и т. п. ведутся по элементарному соста­ву топлива, что является предметом специальных технических дисциплин. Приведем здесь самые общие данные и характеристики [6, 7].

Для каждого топлива определяют объем воздуха, нм /кг, теоретиче­ски необходимого для полного сгорания 1 кг этого топлива (нм3 - опреде­ляют как кубический метр воздуха, приведенный к 760 мм ртутного столба атмосферного давления и температуре 0 0С). Данный объем воздуха назы­вают также стехиометрически необходимым для сгорания единицы массы топлива. Для ориентировочных расчетов можно пользоваться приближен­ной формулой Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), нм /кг:

V0 = [а / 1000] Qh + 6W), (1.6)

где а0 - опытный коэффициент: для антрацита - 1,11, каменных углей и ма­зута - 1,10; дров (W = 30 %) - 1,12; дров любой влажности - 1,05; торфа (W = 40 %) - 1,18; торфа средней влажности - 1,08; бурых углей - 1,15.

Действительное количество воздуха, подаваемое в топку, обычно не­сколько больше теоретически необходимого, нм3/кг:

Уд = aT-Vc, (1.7)

где ат - определяется как расход (избыток) воздуха в топочном простран­стве котла, печи.

Для того чтобы дымовые газы не выбивались из топки и газоходов котла, в них поддерживается обычно минимальное разрежение. При этом через неплотности обмуровки в топку, газоходы котла подсасывается хо­лодный воздух, который является паразитным и ухудшает показатели ра­боты котла. Разность между величинами расходов воздуха в топке и в ухо­дящих газах (в дымовой трубе) определяется как присос воздуха, равный

Да = аух - ат. (1.8)

Для ориентировочных расчетов полный объем дымовых газов можно

определить по упрощенной формуле ВТИ, нм /кг:

Уг = (С-а + В)- Q? н + 6Wр + 0,0124 W9, (1.9)

1000

где С и В - опытные коэффициенты, принимаемые из табл. 1.3.

При сжигании твердых топлив образуются также шлак и зола. Шлак удаляется через шлаковую шахту топки, а зола (унос) частично выноситься с дымовыми газами, загрязняя окружающую среду. Частично зола может улавливаться в газоходах котла, в том числе и в специальных пылегазо­улавливающих установках.

Таблица 1.3

Опытные коэффициенты

Концентрацию золы в дымовых газах можно оценить по формуле,

г/нм3:

М = 10-аУн-^р / VT, (1.10)

где аун - доля золы топлива, уносимая с газами, принимается равной

• для пылеугольных топок с сухим шлакоудалением - 0,9;

• для шахтно-мельничных топок - 0,85;

• для слоевых топок при сжигании антрацита - 0,30;

• то же, при сжигании каменных и бурых углей - 0,2 - 0,25.

Состав продуктов сгорания. Для осуществления контроля над ха­рактером процесса горения (полное или неполное) топлива используется газовый анализ. В состав сухих продуктов сгорания входят

СО2 + SO2 + О2 + N2 + СО + Н2 = 100%. (1.11)

Полное содержание трехатомных газов СО2 + S02 = R02, а при а = 1 соответственно R02 мах. При полном сгорании топлива в составе дымовых газов отсутствуют продукты неполного горения СО, Н2 и другие.

Для приближенных расчетов коэффициент расхода воздуха а можно определить по составу продуктов полного сгорания топлива по формулам:

TOC o "1-5" h z азотной а = N2/(N2 - 3,76-О2), (112)

кислородной а = 21/(21 - О2), (113)

углекислотной а = RО2макс/RО2. (114)

Тепловой баланс. Тепловой баланс котла, как и любого теплотехни­ческого агрегата, характеризуется равенством между количеством подве­денной и расходной теплоты: QnpHx = Qpa^. Обычно тепловой баланс котла составляют на единицу массы сжигаемого топлива - 1 кг твердого или жидкого топлива, либо на 1 нм газообразного топлива. Основная состав­ляющая приходной части баланса - это теплотворность топлива QV Ос­тальные составляющие обычно невелики - физическая теплота топлива,

холодного воздуха и др. Расходуемое тепло можно определить суммой по-

3

лезно используемого тепла Q1 и тепловых потерь, ккал/кг (нм ):

Qh = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6,

где Q2 - потеря тепла с уходящими газами;

Q3 - потеря тепла с химической неполнотой сгорания топлива;

Q4 - потеря тепла с механической неполнотой сгорания топлива;

Q5 - потеря тепла в окружающую среду;

Q6 - потеря с физическим теплом шлаков.

Уравнение (для твердого топлива) теплового баланса, выраженное в процентах от Qfh, запишется

g1 + g2 + g3 + g4 + g5 + g6 = 100 %.

Полезное тепло Q1 - это тепло выработанной тепловой энергии в го­рячей воде для водогрейного котла или в паре для парового котла.

Потерю тепла с уходящими газами можно определить как разность теплосодержаний уходящих из котла газов и холодного воздуха

(1.17)

где ґух, tE - соответственно температура уходящих газов и холодного возду-

ха, 0С; g2 - см. таблицу:

Даже при достаточно низкой температуре уходящих газов 110 - 120 0С величина g2 составляет не менее 8 - 10 %.

Потеря тепла от химической неполноты горения в котле g3 зависит от содержания продуктов неполного горения в дымовых газах (СО, Н2, СН4 и др.). При правильно организованном процессе горения величина g3 близ­ка к нулю. Но в котлах со слоевыми топками и ручной заброской топлива (ручные топки) организовать полное сгорание топлива невозможно. В этом случае потери g3 могут составлять, %, в зависимости от вида топлива:

TOC o "1-5" h z антрациты.......................................................... 2,0;

каменные угли.................................................. 3,0;

бурые угли........................................................ 3,5;

торф.................................................................... 3,0;

щепа.................................................................... 2,5;

дрова................................................................... 3,0.

Потеря тепла от механической неполноты сгорания g4 обусловлива­ется недожогом топлива в шлаках, уносе (золе). Применительно к самым несовершенным топкам величина g4 составляет от 7 до 12 %.

Потеря тепла в окружающую среду g5 зависит от большого количест­ва факторов: вида и состояния обмуровки котла, производительности агре­гата, наличия так называемых хвостовых (конвективных) поверхностей на­грева и т. п. Для котлов малой производительности при их номинальной на­грузке g5 равно не менее 2 %. При этом со снижением фактической нагруз­ки котла величина g5 возрастает обратно пропорционально.

Потеря с физическим теплом шлаков g6 особенно заметна опять же для ручных топок - 1,0 - 1,5 %.

Отношение полезно использованного тепла в котле к располагаемо­му называется коэффициентом полезного действия (брутто). Он может быть определен, %, по прямому тепловому балансу

П = 100Q1/Qpн, (1.18)

по обратному тепловому балансу

П = 100 - Eg, (1.19)

где Eg - сумма тепловых потерь котла, %.

Для ручной топки п котла приближенно составит с учетом выше сделанных оценок

П = 100 - 9 - 3,5 - 11 - 3 - 1 = 72,5 %.

Коэффициент полезного действия, %, учитывающий расходы элек­троэнергии и тепла на собственные нужды, называется КПД нетто:

Пн = П - g™, (1.20)

где gra - общий расход энергии (электрической и тепловой) на собствен­ные нужды котла, отнесенный к располагаемому теплу, %.

Нормативы расходов тепла на собственные нужды, в % от номи­нальной нагрузки котельной, составляют: газообразное топливо - 2,3 - 2,4;

слоевые и факельно-слоевые топки - 5,1 - 2,6; жидкое топливо - 9,7 - 3,9.

Удельные расходы электроэнергии на выработку и транспортирова­ние тепла для отопительных котельных составляет 18 - 20 кВт-ч/Гкал, или около 1,7 %.

Таким образом, в настоящее время в котельных с котлами со слое­вым сжиганием топлива КПД нетто составляет, как правило, не более

Пн = 72,5 - 5 - 1,7 = 65,8 %, т. е. полезно используется только около половины сжигаемого топлива.