Расчет котлов и котельных установок

Объемы и энтальпии продуктов сгорания и воздуха

Процесс горения топлива — это совокупность химиче­ских реакций окисления его горючих компонентов, сопровождаю­щихся выделением значительного количества теплоты и света. При организации этого процесса стремятся создать условия, при которых происходит наиболее полный переход химически связан­ной энергии в теплоту образующихся продуктов горения. Для горения необходим окислитель (кислород). Скорость химических реакций возрастает с увеличением температуры. Поэтому в топках котлов обеспечивается непрерывный равномерный подвод окисли­теля в достаточном для сжигания топлива количестве и поддер­жание высокого уровня температур.

Для эффективного горения топлива необходимы определенные условия. В зависимости от условий возможно полное или частич­ное окисление горючих веществ. При полном окислении образую­щиеся продукты не могут больше соединяться с окислителем и выделять теплоту. Продуктами полного окисления горючих эле­ментов являются полные, оксиды углерода (СО,), водорода (Н20) и серы (S02 и в меньшей степениS03). Реакциями полного окисления горючих элементов являются следующие.

С + 02 - С02; (6)

2Н2 + 02 - 2Н. О; , (7)

S + 02 ->- S02. (8)

При неполном выгорании топлива возможны два случая: не все горючие элементы окисляются; при окислении горючих эле­ментов образуются продукты, которые могли бы участвовать в процессе горения. При неполном окислении горючих элементов могут образовываться соединения, например, по реакции

І 2С + Оа -»- 2СО. ' (9)

Неполное окисление горючих элементов связано с недостаточ­ной подачей окислителя, неравномерным поступлением топлива и воздуха во времени, по сечению горелок или по отдельным горел­кам, недостаточно хорошим перемешиванием топлива и воздуха и др. Наибольшее количество теплоты выделяется при полном окислении горючих элементов.

Расход воздуха на горение определяет полноту выгорания топлива в топке котла. Минимальное количество воздуха V°, до­статочное для полного выгорания единицы массы (объема для газа) топлива, называют теоретически необходимым количеством воздуха. Величину V° и количественные соотношения между мас­сами или объемами реагирующих веществ определяют по реакциям (6)—(8) окисления горючих элементов. 30

Из соотношений (10)—(12) с учетом объемного содержания кис­лорода в воздухе (21 %) и топливе 0/(100p0J получаем количество воздуха, теоретически необходимое для полного окисления горю­чих элементов,

У° = = 0,0476 ,866 (С + 0.375S) + 5,55Н ——J (14)

Или

V° = 0,0889 (С + 0.375S) + 0,265Н — 0,03330, (15)

Где С, S, Н и О — массовые доли (%) горючих элементов и кисло­рода в рассматриваемом топливе.

Обычно V° рассчитывают для рабочей массы топлива. Для исключения неполного выгорания топлива в топку по­дают количество воздуха VB больше теоретически необходимого.

При проектировании котлов и анализе их работы пользуются коэффициентом избытка воздуха а, который равен отношению фактически подаваемого количества воздуха к теоретически необ­ходимому,

Ct = VJV°.

Через неплотности топки и газоходов котлов, работающих при давлении ниже атмосферного, а также системы пылеприго - товления в газовоздушный тракт котла может поступать дополни­тельное количество воздуха из окружающей среды (присосы воз­духа). По ходу движения продуктов сгорания количество присасы­ваемого воздуха непрерывно возрастает. На рис. 12 приведена схема подачи воздуха и присосрв в котле (в том числе избыток а( в продуктах сгорания). Для рассмотренного случая избытки воз­духа определяют следующим образом: за перегревателем 3

«ПП = <*Т + ДаПш

За промежуточным перегревателем 4

Апр пп = апп А®пр пп!

За экономайзером 5

Авэ = апр ПП Д^вэ!

За воздухоподогревателем 6 (в уходящих газах)

«ВП = аТх = ава + Д«вп-

За 1-й поверхностью нагрева избыток воздуха в продуктах сго­рания

At = a, - f - 2 Аа„,

Л=1

Где Аапрпп, Аавэ, Аавп й Дап — присосы воздуха.

При проектировании котлов и их топок обычно задаются из­бытком воздуха на выходе из топки ат и регламентируют присосы в поверхностях нагрева Даг. Ниже приведены значения присосов в наиболее характерных поверхностях нагрева.

Топка (Дат):

С металлической обшивкой. . . .................................................................. 0,05

Без обшивки.................................................................................... 0,1

Газоходы поверхностей нагрева (Act;):

Фестон, ширмы.......................... . , . . ........................................................... 0

Пароперегреватель...................................................................................... 0,03

Переходная зона........................................................................................ . 0,03

Экономайзер..................................................................... 0,02

Воздухоподогреватель трубчатый............................................................ 0,03

Воздухоподогреватель регенеративный.................................................. 0,2

Экономичный топочный режим горения твердого топлива обес­печивается при избытке воздуха в горелках (организованно по­даваемый воздух) а„ = 1-ї-1,1- Определить величину аг можно, 32 зная коэффициент ат и учитывая, что последний состоит из коэф­фициентов избытка организованно подаваемого через горелки воз­духа а0 и присосов в топке Дат (при условии подачи воздуха только через горелки):

Аг = а0 = ат — Аат.

Часть горячего воздуха после воздухоподогревателя 6 может быть использована для сушки топлива, а остальная часть — вто­ричный воздух // — поступает непосредственно в горелочные уст­ройства топки 2. Воздух на сушку вместе с топливом подается в мельницу 1, где осуществляется также размол топлива. Выхо­дящий из мельницы воздух,, включающий присосы в системе пыле - приготовления, называют первичным /. Смесь первичного и вто­ричного воздуха представляет собой организованно подаваемый в топку (через горелки) воздух. Обозначив избытки соответственно первичного <%i и вторичного ац воздуха, получим

Аг = CLi + аи-

Объем продуктов сгорания с учетом избытков воздуха в топке и присосов за любой t-й поверхностью нагрева (м8/кГ)

Vri = V? + l,016(a,-l)V°, (16)

Где V? = Fro, + Vh. o + Vn, — объем газов за рассматриваемой і-й поверхностью нагрева при a = 1; Vro,> Vh, o и Vw,— объемы R02 = С02 - f S02, водяных паров и азота при a = 1; a, — коэф­фициент избытка воздуха за рассматриваемой поверхностью, коэф­фициентом 1,0161 учитывается содержание влаги в воздухе.

Значения Vro, и Ун, о можно найти по уравнениям (6)—(8) и из зависимостей (12)—(14). В последнем случае следует учитывать также влажность топлива и воздуха (в 1 м3 воздуха 0,0161 ма водя­ных паров). Для рабочей массы топлива

Vro, = 0,01866 (Ср + 0,375SP);

VH. O = УЙ. о + Vlo + Кн. о = 0,111НР + .Jf' + 0,0161 V°

1ииРн, о

Или

Ун, о = 0,111НР + 0,0124WP + 0,0161 V°.

Объемы азота при a = ! с учетом входящего в топливо Np/100 = 0,79 V'0 + Np/(100pN,) = 0,79V° + 0,008NP.

Объем Vro, за поверхностями нагрева не изменяется (так как в присосах R02 = 0), а объем водяных паров-незначительно воз­растает ввиду наличия влаги в воздухе присосов

Vh, o == Vh. o + 0,0161 (a — I) V°.

2 Даойяншаакоа В. А. в др. 33

Избыток воздуха в топке определяет не только количество об­разующихся продуктов сгорания, но и температурный уровень горения, интенсивность и экономичность процесса.

С ростом количества подаваемого воздуха (превышающего тео­ретически необходимое) увеличивается количество образующихся продуктов сгорания [см. уравнение (16)]. Вследствие незначи­тельного повышения теплоты, вносимой воздухом, температурный уровень процесса горения снижается.

Показателем температурного уровня можно считать максималь­но возможную температуру горения в условиях отсутствия тепло - отвода — адиабатную температуру продуктов сгорания. Вели­чина •Оа определяется количеством вносимой в топку теплоты QTI включающей теплоту QTJI сгоревшего топлива, и теплоту QB, вносимого в топку воздуха, и объемом Vr продуктов сгорания

Qtji + q;

Сг [V°+1,0161 (о—1)V°] '

Где сг — теплоемкость продуктов горения, МДж/(м8-°С).

Чем выше избытки воздуха и присосы в топке и пылеприготов - лении, тем ниже температура Оа, а следовательно, скорость хими­ческих реакций горения и экономичность топочного процесса. Так, увеличение избытка воздуха с 1,1 до 2 при сжигании камен­ных углей приводит к падению "&а на 600—700 °С.

Расчет V° и объемов продуктов горения газообразного топлива аналогичен, но проводится для 1 м3 топлива:

VQ = 0,0476 [0,5СО + 0,5На + 1,5H2S + Ј(m + я/4) CmHn - О,];

Vro, = 0.01 [СОа + СО + H2S + £ mCmH„]; Vh. o = 0,01 [H2S + H2 + 2 0,5nCmH„ + 0,0124W] + 0,0161 V°.

Остальные объемы рассчитывают как для твердого и жидкого топлива. Значения продуктов сгорания и V° для топлив можно найти в справочной литературе. В табл. 2 приведены указанные выше величины.

Энтальпию / (г) продуктов сгорания используют при тепло­вых расчетах определения количества переданной (воспринятой) тенлоты Q. Согласно первому закону термодинамики

DQ = df — v dp,

Где v — удельный объем; р — давление в системе.

Поскольку процесс передачи теплоты в котле протекает при незначительном изменении давления, принимают dp = 0 и поЛу - чают: при нагревании Q = /2 — при охлаждении Q = 1Х— /2. Для газообразной среды

/ = cBVt

Для жидких и твердых тел

I = cmmt,

Где cD и ст — соответственно объемная [МДж/(м3 с) I и массовая удельные теплоемкости сред; V и т — соответственно объем (м3) И масса (кг) среды.

В тепловых расчетах котла количество переданной теплоты принято определять через энтальпию продуктов сгорания, обра­зующихся при сжигании единицы массы топлива (или единицы объема). В продуктах горения твердого топлива объемом Уг при­сутствует также часть золы с энтальпией /зл. Общая энтальпия продуктов горения в этом случае

/„ = сгУгд + /8Л.

Обозначив долю золы, уносимой с продуктами сгорания, через аун, при общем количестве золы в одном килограмме топлива Ар/Ю0 получим

^зл ~ ^зл = Оун JQQ (сФ)зл-

Остальная часть золы атл выпадает в топке и удаляется по си­стеме шлакоудаления. При этом ашл + ауи — 1. Учитывая, что Уг можно выразить в виде суммы объемов, энтальпия газов

/* = (ско. Уяо, Ч Сн. оУн. о + Cn. Vn.) $ +

+ (а -1) C. v°g+ /„ = /? + /? (а-1)+л». . (19)

Энтальпии газов if при а = 1 и теоретически необходимого воздуха /в, а также произведения (сд)м приведены для различ­ных топлив в справочной литературе.