Паровые котлы ТЭС

Состав продуктов сгорания

Знание состава топлива и реакций окис­ления его горючих веществ позволяет рассчи­тать объем получающихся после сжигания топлива продуктов сгорания. В процессе экс­плуатации осуществляют постоянный и перио­дический контроль за составом продуктов сго­рания для оценки полноты выгорания топлива и определения плотности газового тракта.

При тепловых расчетах котла по составу дымовых газов и температуре определяют энтальпию за каждой поверхностью нагрева. Знание объема газов позволяет выполнять аэродинамические расчеты.

Реакции горения при высоких температу­рах идут с большой скоростью, поэтому со­став конечных продуктов сгорания близок к равновесному. В зонах, где оказалась не­хватка кислорода, могут остаться продукты неполного окисления исходных горючих ком­понентов. Состав продуктов сгорания при сжи­гании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива можно записать в сле­дующем виде:

Топливо (1 кг) - j - воздух —»

-Усо, + У5о, + Ун, о + Ум. + Уо. + Г.-.+

+ у00 + ун, + усн.' (5Л)

Где Vco, VSOj и другие составляющие—объемы

Отдельных газов в продуктах сгорания, м'/кг или м'/м3[1].

Продукты сгорания топлива удобно раз­бить на три группы. Цифрой 1 в (5.1) обозна­чены продукты полного окисления горючих элементов топлива. Они состоят из трехатом­ных сухих газов, обозначаемых обычно через

VW

УКо, = Усоа + У3о2. (5-2)

И объема водяных паров VH 0. В составе трех­атомных сухих газов всегда VG0 Vso, по­скольку содержание серы в топлив ах мало. Цифрой 2 обозначены объемы азота и кисло­рода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива, и водяных па­ров. Здесь VN так как кислород в зна­чительной мере израсходован на окисление - Объем водяных паров включает в себя испа­рившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха. Цифрой^З обозначены продукты не­полного окисления горючих элементов топлива, при этом Усо>Ун>Усн1- Соотношение между

Объемами УС0:УНз в среднем составляет 3:1.

Наличие в продуктах неполного сгорания объ­ема свидетельствует о грубых отклонени­ях режима горения от нормы.

Рассмотрим полное сгорание топлива при условии, когда в продуктах сгорания Усо;=0;

Уч = 0; Уш==0 и нет остаточного ютслорода:

0. Количество воздуха, необходимого для

Полного сгорания 1 кг (м3) топлива при усло­вии безостаточного использования кислорода, называют теоретически необходимым объемом воздуха V0. В этом случае согласно (5.1) тео­ретический объем продуктов сгорания

У0г = Усо,+У5о, + Ун, о+^- (5-3)

Здесь выделяют теоретический объем су­хих газов

Г#сг = ГСо. + У8о.+ = + (6.4)

И полный объем газов

VT = V,e + VQ. (5-5)

При этом в объем V входят все состав­ляющие водяных паров в продуктах сгорания, рассмотренные выше, а объем F"Nj образуется

В основном из азота воздуха с небольшим до­полнением азота топлива, выходящего из него при нагреве вместе с другими летучими веще­ствами.

Объем сухих трехатомных газов I^j^q в формулах (5.2) и (5.4) одинаков и не зависит от того, подан на

** Содержание СОз и S02 в атмосферном воздухе очень мало и не учитывается в расчетах.

Горение теоретический объем воздуха V0 или большее его количество V**B, в то время как объем других со­ставляющих продуктов сгорания будет при этом из­меняться. В этом случае для обозначения объемов, :о - ответствующих теоретическим условиям горения, вво­дится индекс 0.

При полном сгорании топлива и любом избыточном количестве воздуха в зоне горения, т. е. при VB>y°, образуется одинаковый теоретический объем газов а увеличение объема продуктов сгорания определяется только избыточным количеством воздуха AVb=Vb—V° и водяными парами, содержащимися в нем, о-

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при тео­ретически необходимом объеме воздуха I70 вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объ­еме за короткое время пребывания газов в нем (1—2 с). Поэтому для обеспечения до­статочно полного сгорания топлива, удо­влетворяющего экономическим показателям работы котлов, действительный объем воздуха всегда несколько больше теоретического. От­ношение этих объемов называют коэффициен­том избытка воздуха в продуктах сгорания

А—Ув/V0. (5.6)

Необходимый коэффициент избытка возду­ха в топке ат зависит от сорта топлива, спо­соба его сжигания и конструкции топочного устройства. Высокореакционное твердое топ­ливо, отличающееся большим выходом лету­чих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает, поэтому нуждается в меньшем избыт­ке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих. Эффективное перемешивание топлива с воздухом достигается в газозоздушных сме­сях, поэтому сжигание мазута и газового топ­лива требует наименьшего избытка воздуха. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топоч­ных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающих­ся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент ат устанавливает­ся с учетом всех факторов согласно Нормам теплового расчета паровых котлов [8]. Обыч­но его принимают для разных топлив в пре­делах:

При сжигании твердых топлив................................ 1,15—1,25

При сжигании жидких топлив.................................. 1,03—1,1

При сжигании газовых топлив. ....... 1,05—1,1

Уменьшение избытка воздуха дает эконо­мию расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышает КПД котла, однако его снижение ниже расчетного значения ат ведет к быстрому росту недожога топлива и сни­жению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки ат равен его значению в горелке аГоР и сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так

Как все его газоходы в этом случае имеют избыточное давление и выполнены газоплот­ными (за исключением регенеративного воз­духоподогревателя) .

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холод­ного воздуха из окружающей среды через возникаю­щие в местах сопряжения отдельных его элементов не­плотности (трещины и зазоры в слоях обмуровки, ме­стах прохода через обмуровку труб и т. п.). За счет этого объем продуктов сгорания увеличивается, растет избыток воздуха, снижается температура газов (рис. 5.1.). Присосы определяются в долях теорети­чески необходимого объема воздуха

LVi

5.7)

Где ДІЛ—объем присосанного воздуха в пределах і-й поверхности парового котла.

Тогда избыток воздуха за і-й по порядку поверх­ностью нагрева после топки определяется как

(5.8)

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Лат. С учетом этого избыток воздуха в зоне горения будет составлять:

АГОр=ат—Аат. (5.9)

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла, можно найти по следующей формуле:

Ууї=1Л)г+(аух-1)У0. (5.10)

Он состоит из объема продуктов полного сгорания топлива У°г и всего избыточного воз­духа ДУизб, количество которого увеличивает­ся по мере движения газов в газоходах. В свою очередь общее количество избыточно­го воздуха можно разделить на две состав­ляющие

ДУнзб=(Ргор-1)У°+

-F-SAaiV0, (5.11)

Где ргор=<Хгор — избыток воздуха на выходе из горелок.

Первое слагаемое в формуле (5.11) харак­теризует организованный избыток воздуха, не­обходимый для обеспечения достаточно полно­го сжигания топлива. Второе слагаемое — вредные присосы холодного воздуха.

Объем воздуха, необходимый для полно­го сгорания топлива, определяют для твердых и жидких топлив на основании составления реакций горения горючих элементов топлива [8, 44]. При горении углерода и серы объем образующихся УСОа и FSOj оказывается рав­ным объему затраченного на их сжигание кислорода: ^ог^^о,' а поскольку объем азота практически не меняется, то У°с. г=У0.

При горении водорода топлива объем об­разующихся водяных паров в 2 раза выше объ­ема кислорода, затраченного на горение. Таким образом, теоретический объем газов У°г при наличии в топливе водорода всегда больше теоретически необходимого объема воздуха У0 даже при сжигании «сухого» топ­лива, лишенного внешней влаги.

При сжигании газового топлива расчет расхода кислорода на горение производят для каждого из составляющих его горючих газов отдельно с учетом процентного содер­жания в составе газового топлива.

Полный объем воздуха и газов находится как про­изведение объема, вычисленного для 1 кг (м3) топлива, на полный расход топлива. Кроме такого метода рас­чета, используют метод приведенных тепловых харак­теристик. В этом случае расчетные показатели относят к единице тепловыделения топлива— 1000 кДж или 1 МДж. Большой вклад в разработку н применение для практических расчетов этого метода сделали проф. С. Я. Корницкий, М. Б. Равич и Я. Л. Пеккер [54]. Применение этого метода расчетов основано ка ис­пользовании правила Вельтера — Бертье, гласящего, что количество теплоты, выделяющейся при сгорании сухо­го топлива, прямо пропорционально количеству израс­ходованного кислорода, т. е. <Зс=д'Ио1. Таким обра­зом, зная теплоту сгорания топлива и его влажность, можно установить теоретический объем воздуха для горения и объем продуктов сгорания.

Энтальпию продуктов сгорания определяют для объема газов, полученного при сгорании 1 кг или 1 м3 топлива и обозначают через /, кДж/кг, или кДж/м3. Так как теплоемкости газов различны, то энтальпии компонентов дымовых газов подсчитывают отдельно. Так, энтальпия теоретического объема продуктов сго­рания при температуре газов О, °С, составляет:

/ АР

/0г = F ^RO/RO, + + VlOO СЗЛ J ft,

(5.12)

Где сясу crv сн, о — объемные теплоемкости отдельных

Компонентов дымовых газов, взятые при температуре газов кДж/(м3'К); Сзл — теплоемкость золовых ча­стиц, кДж/(кг-К); аув — доля золовых частиц, уно­симая потоком газов.

Последний член уравнения (5.12), характеризую­щий энтальпию золовых частиц, уносимых потоком газов, учитывается только при сжигании высокозоль­ных топлив.

Энтальпия газов при избытке воздуха а>1 опре­деляется из уравнения

/г=/ог+Д/в=/ог_(_(а_1) /ов; (5.13)

Здесь /°в — энтальпия теоретического объема воздуха: I=V°c вд, (5.14)

Где св — объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м3-К).

Расчеты энтальпий газов при различных температу­рах для практического использования представляют в виде /, О-диаграммы (рчс. 5.2).