С какой температурой продукты сгорания покидают котел

Потери теплоты с уходящими газами Qy.г (qy.г) возникают из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов Hуг, покидающих котел при температуре tу.г превышает физическую теплоту поступающих в котел холодного воздуха аy.гH°х в и топлива Ст∆tт.

Потери теплоты с уходящими газами Q

уг занимают обычно основное место среди тепловых потерь котла и составляют qуг= 5… 12% располагаемой теплоты Qpp Для расчета Qyv используют формулу

Qy.г =Hуг – аy.гH°х в

Здесь Hуг, H°х в — энтальпии соответственно уходящих газов и теоретически необходимого холодного воздуха, МДж/кг (МДж/м3).

Потери теплоты с уходящими газами зависят в основном от объема и температуры уходящих газов. Наибольшее внимание для снижения этих потерь следует уделять уменьшению коэффициента избытка воздуха ау.г в уходящих газах, который зависит от коэффициента избытка воздуха в топке ат и балластного воздуха ∆аподс за счет его подсосов в газоходы котла, находящиеся обычно под разрежением:

аy.г = ат + ∆аподс

Возможность снижения ат зависит от вида сжигаемого топлива, способа его сжигания, типа горелок и топочного устройства. При благоприятных условиях контактирования топлива и воздуха избыток воздуха ат необходимый для полного сгорания, может быть уменьшен. Принимается, что при сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха ат< 1,1, при сжигании мазута ат= 1,1, для пылевидного топлива ат= 1,2 и для кускового топлива ат= 1,3… 1,7.

Подсосы воздуха по газовому тракту ∆аподс в пределе могут быть сведены к нулю в котла, работающих под наддувом, т.е. под давлением в дымовом тракте. Для котлов, работающих под разрежением, подсосы составляют ∆аподс= 0,15…0,3 и даже больше. Местами проникновения воздуха из окружающей среды в систему котла являются места прохода труб через обмуровку, уплотнения лючков, дверок, гляделок, холодная воронка, трещины и неплотности в обмуровке.

Нередко высказывается мнение, что опасность, связанная с подсосами воздуха в топку незначительна, что можно использовать этот воздух для процесса горения. Такие суждения неверны. Дело в том, что большая часть воздуха подсосов засасывается в топку через небольшие неплотности стен топочной камеры, т.е. не может проникать глубоко внутрь топочной камеры. Двигаясь вблизи экранов, в зоне относительно невысоких температур этот воздух в горении участвует слабо. Таким образом, несмотря на достаточно высокое значение атна выходе из топки, основной процесс горения протекает с недостатком воздуха, часть топлива, не сгорая, выносится из топки, повышая температуру продуктов сгорания и создавая восстановительную среду внетопочного пространства. Повышение температуры частиц топлива (следовательно, и золы), а также образующаяся восстановительная среда усиливают процессы шлакования и загрязнения труб.

Балластный воздух в продуктах сгорания помимо увеличения потерь теплоты Qy.г приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.

Важнейшим фактором, влияющим на потери с уходящими газами Qy.г, является температура уходящих газов ty.г. Ее снижение достигается установкой в хвостовой части котла теплоиспользующих элементов (экономайзера, воздушного подогревателя), так как чем ниже температура уходящих газов и, соответственно, меньше разность температур ∆t уходящих газов и нагреваемого рабочего тела (например, воздуха), тем большая площадь поверхности нагрева требуется для охлаждения продуктов сгорания.

Повышение же температуры уходящих газов приводит к увеличению потери с Qy.г и, следовательно, к дополнительным затратам топлива ∆В на выработку одного и того же количества пара или горячей воды. В связи с этим оптимальная температура ty.г определяется на основе технико-экономических расчетов при сопоставлении годовых капитальных затрат на сооружение поверхности нагрева и затрат на топливо.

Область температур от t’у.г до t”у.г, в которой расчетные затраты различаются незначительно. Это может служить основанием для выбора в качестве наиболее целесообразной температуры t”у.г, при которой начальные капитальные затраты будут ниже, чем при t’у.г. Необходимая поверхность нагрева также будет меньше, т.е. теплообменник будет более компактным, что облегчает условия его обслуживания и ремонта. При выборе в качестве более целесообразной температуры t”у.г уменьшается также вероятность конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, и коррозии поверхности нагрева.

С увеличением тепловой нагрузки котельного агрегата (увеличением расхода топлива В и выхода пара D потеря теплоты qy.г с уходящими газами возрастает. Это связано с тем, что с ростом нагрузки увеличивается количество выделенной теплоты в топке. Одновременно увеличиваются объем продуктов сгорания и их скорость в газоходах котла. При этом теплоотдача к конвективным поверхностям нагрева возрастает пропорционально увеличению скорости лишь в степени 0.6…0,8. Таким образом, тепловыделение превышает тепловосприятие, и температура уходящих газов с увеличением нагрузки повышается.

При работе котла на твердом и жидком топливе поверхности нагрева могут загрязняться золой топлива. Это приводит к ухудшению теплообмена продуктов сгорания с поверхностями нагрева. Для сохранения заданной паропроизводительности в таком случае приходится увеличивать расход топлива. Загрязнение поверхностей нагрева приводит также к увеличению сопротивления газового тракта котла, и при недостаточной мощности дымососа нагрузка котла снижается. Для обеспечения нормальной эксплуатации агрегата необходимо систематически очищать его поверхности нагрева от загрязнений.

Источник

Температура горения и температура газов на выходе из топки

Рассмотрение процессов горения топлива и анализ уравнения теплового баланса котельного агрегата показывают, что для успешного сжигания топлива требуется создание в топочных устройствах соответствующих температурных режимов. Режим топочной камеры характеризуют следующие условные температура горения и температура газов на выходе из топки: 1) калориметрическая максимальная; 2) калориметрическая; 3) теоретическая.

Калориметрической максимальной называется такая температура горения, которую могли бы иметь продукты полного сгорания топлива при теоретическом количестве воздуха (α = 1) и при условии, что вся теплота, выделенная топливом, израсходовалась только на нагрев продуктов горения.

Калориметрической называется температура горения и температура газов на выходе из топки, которую приобрели бы продукты полного сгорания топлива при отсутствии потерь теплоты и любом значении коэффициента избытка воздуха α, превышающем единицу.

Теоретическая температура горения и температура газов на выходе из топкиотличается от калориметрической тем, что при ее определении учитывается эндотермический процесс диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре (Т >2100 К). При обычно достигаемых в топках температурах (1470 – 2050 К) диссоциация СО2 и Н20 практически отсутствует (см. § 12.4), и в случае полного горения теоретическая температура горения и температура газов на выходе из топки с достаточной точностью совпадает с калориметрической.

Теоретическую температуру горения рассчитывают на основе уравнения энергетического баланса процесса сжигания 1 кг или 1 м3 топлива:(19.14)

где QB – теплота, вносимая с горячим воздухом, нагреваемым в пределах котлоагрегата (в воздухоподогревателе); ср.г – средняя объемная изобарная теплоемкость продуктов сгорания; Ттеор – теоретическая температура горения.

Следует помнить, что в теплоту Qp/р входит теплота нагретого воздуха QB.BН 1см. формулу, которую он получил до входа в воздухоподогреватель (в паровом или водяном калорифере). Левая часть уравнения (19.14) представляет собой тепловыделение в топке при сжигании 1 кг или 1 м3 топлива. Величину срг можно вычислить как теплоемкость газовой смеси, состоящей из трех компонентов: двухатомных газов, сухих трехатомных газов и водяных паров. Теплоемкости этих компонентов приведены в прил. 1. В этом случае уравнение (19.14) принимает вид

Это уравнение показывает, что тепловыделение в топке равно энтальпии продуктов сгорания при Гтеор. Из равенства (19.15) определяют теоретическую температуру горения:

В этом уравнении неизвестны величина Ттеор и значения теплоемкостей CpN2, СрСо2 СРН2О которые ей соответствуют. Теоретическую температуру горения находят методом подбора или графическим путем с помощью IТ – диаграммы, которую строят следующим образом. Задаются несколькими значениями температуры газов и определяют для них энтальпию по правой части уравнения (19.15). Затем, выбрав масштабы температур и энтальпий в прямоугольной системе осей координат IT, проводят кривую I = f (T) и по диаграмме находят температуру, при которой I будет равно левой части уравнения (19.15), т.е. I = QT. В этом случае I представляет собой теоретическую энтальпию продуктов сгорания. На рис. 19.30 приведена IT – диаграмма, по которой определена теоретическая температура горения для конкретного числового примера, приведенного в конце настоящей главы.

Анализ уравнения (19.16) показывает, что теоретическая температура горения и температура газов на выходе из топки зависит в основном от четырех факторов:

теплоты сгорания и, следовательно, от вида и свойств сжигаемого топлива (в Qp/р входит Qрн);
коэффициента избытка воздуха, основное влияние которого сказывается на величине объема продуктов сгорания;
температуры подогрева воздуха;
совершенства организации процесса горения (т.е. от величины химического недожога q3).

Влияние потери с физической теплотой золы и шлаков q6 на величину Ттеор незначительно.

Для заданного вида топлива и способа его сжигания основное влияние на величину Гтеор оказывают коэффициент избытка воздуха и температура его подогрева. Например, при горении газа характер этого влияния подобен влиянию концентрации и температуры подогрева на нормальную скорость распространения пламени (см. рис. 18.4).

Другой важной характеристикой работы топочной камеры является температура газов на выходе из топки Тт Эта температура всегда меньше вычисленной теоретической вследствие отдачи газами теплоты той поверхности нагрева (котла или обжигаемого в печах изделия), которая может воспринимать теплоту с помощью лучеиспускания (радиации) непосредственно от топочных газов и горящего топлива.

Температуру газов на выходе из топки Тт находят путем совместного решения уравнений теплового баланса топки и теплоотдачи:

где QT – тепловыделение в топке; Iт и Тт – энтальпия продуктов сгорания и температура на выходе из топки; (φ.- коэффициент сохранения теплоты [φ = (100 – q5)/100]; ат = агаст – приведенная степень черноты топочной камеры (см. § 15.2); QЛ – теплота, отдаваемая топке путем излучения; Тэф – эффективная температура факела, К; Тст – температура стенки экрана, К; Нл – площадь лучевоспринимающей поверхности топки.

В топочной камере существует сложное поле температур. Лучистый тепловой поток, воспринимаемый различными частями экранов, будет неравномерным. Например, в зоне, где находится горящий факел, тепловой поток, падающий на экраны, выше, чем в верхней или нижней части топки.

Эффективная температура факела ТЭФ – это такая усредненная температура, при которой равномерный тепловой поток, падающий на Нл, равен суммарному количеству теплоты, воспринимаемой экранами от факела при фактических температурах топочной среды.

Экранные поверхности являются серыми телами. Поэтому в условиях топочной камеры существенное значение имеют отраженные тепловые потоки. При загрязнении поверхностей экранов их температура возрастает. Следовательно, возрастают и потоки собственного излучения стенок экранов, и их влияние на суммарный перенос теплоты в топочной камере. Собственное излучение экранов учитывают с помощью коэффициента загрязнения.

Вводя понятие средней теплоемкости с учетом коэффициента § по (19.18), придаем уравнению (19.17) следующий вид

средняя теплоемкость в интервале температур от Ттеор до Тт.

При проверочном расчете топки в соответствии с нормативным методом температуру на выходе из топки определяют по формуле

Коэффициент М учитывает влияние горения (относительное положение факела в объеме топки) на теплообмен и зависит от типа топки, вида топлива и места расположения горелок по высоте топки. В общем случае М = А – Вх. При камерном сжигании высокореакционных твердых топлив и слоевом сжигании всех топлив А = 0,59 и В = 0,5. При сжигании газа или мазута М = 0,54 ÷ 0,2х. Величина х = h1/h2, где h1 – высота расположения горелки над подом топки, a h2 – расстояние от пода топки до середины сечения для выхода газов из топки. Для слоевых топок с пневмомеханическими забрасывателями х = 0,1; при сжигании топлива в толстом слое х = 0,14.

Рассмотренный метод определения температуры газов на выходе из топки не учитывает процесса теплопередачи от наружного загрязненного слоя к теплоносителю. Метод, разработанный Всесоюзным теплотехническим институтом им. Ф. Э. Дзержинского (ВТИ) совместно с Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН), позволяет дополнительно учесть влияние температуры теплоносителя, термического сопротивления слоя загрязнения экранных поверхностей, степени их черноты и др. Этот метод основан на решении системы из четырех уравнений: первые два уравнения являются соответственно правой и левой частями уравнения (19.17); третье представляет собой уравнение теплопередачи между наружным слоем загрязнения поверхности нагрева и теплоносителем; четвертым является уравнение для определения эффективной температуры топочной среды. Оно учитывает влияние таких факторов, как вид топлива, угол наклона горелки и степень экранирования топочной камеры.

Подробный расчет теплообмена в топке и определение температуры на выходе из топки по методам ЦНИПКИ им. И. И. Ползунова и ВТИ – ЭНИН приведены в специальной литературе.

Котельный завод Энергия-СПБ производит различные модели топок:

Топки ТШПМ;
Топки ТЛПХ;
Топки ТЛЗМ;
Топки ЗП-РПК;
Топки РПК;
Топки ТЧЗМ.

Транспортирование топок и другого котельно-вспомогательного оборудования осуществляется автотранспортом, ж/д полувагонами и речным транспортом. Котельный завод поставляет продукцию во все регионы России и Казахстана.

Перейти к другой главе:

Источник

При составлении теплового баланса котельного агрегата устанавливается равенство между поступившим в агрегат количеством тепла, называемым располагаемым теплом , и суммой полезно использованного тепла Q1 и тепловых потерь Q2-6. На основании теплового баланса вычисляются КПД котельного агрегата и необходимый расход топлива.

Тепловой баланс составляется на 1кг твёрдого (жидкого) или 1м3 газообразного топлива при установившемся тепловом состоянии котельного агрегата.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид

= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 , кДж/кг или кДж/м3 .

Располагаемая теплота 1 кг твердого (жидкого) топлива определяется по формуле

, кДж/кг ,

где – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг; iтл – физическая теплота топлива, кДж/кг; Qф – теплота, вносимая в топку с паровым дутьем или при паровом распылении мазута, кДж/кг; Qв.вн – теплота, внесенная в топку воздухом при его подогреве вне котла, кДж/кг.

Для большинства видов достаточно сухих и малосернистых твёрдых топлив принимают Qр = , а для газового топлива принимается . Для сильно влажных твёрдых топливи жидких топливучитывается физическая теплота топлива iтл , которая зависит от температуры и теплоёмкости поступающего на горение топлива

iтл = стл tтл .

Для твёрдых топлив в летний период времени принимают tтл = 20 °С , а теплоёмкость топлива рассчитывают по формуле

, кДж/(кг· К) .

Теплоёмкость сухой массы топлива составляет:

– для бурых углей – 1,13 кДж/(кг∙ К);

– для каменных углей – 1,09 кДж/(кг·К);

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

В зимний период принимают tтл =0 °С и физическую теплоту не учитывают.

Температура жидкого топлива (мазута) должна быть достаточно высокой для обеспечения тонкого распыла в форсунках котельного агрегата. Обычно она составляет = 90-140 °С.

Теплоёмкость мазута

, кДж/(кг ·К) .

В случае предварительного (внешнего) подогрева воздуха в калориферах перед его поступлением в воздухоподогреватель котельного агрегата теплоту такого подогрева Qв.вн включают в располагаемую теплоту топлива и рассчитывают по формуле

, кДж/кг ,

где bгв – отношение количества горячего воздуха к теоретически необходимому; Δαвп – присосы воздуха в воздухоподогревателях; – энтальпия теоретического объема холодного воздуха; – энтальпия теоретического объема воздуха на входе в воздухоподогреватель.

При использовании для распыла мазута паромеханических форсунок в топку котельного агрегата вместе с разогретым мазутом поступает пар из общестанционной магистрали. Он вносит в топку дополнительную теплоту Qф , определяемую по формуле

Qф = Gф (iф – 2380) , кДж/кг ,

где Gф – удельный расход пара на 1 кг мазута, кг/кг; iф – энтальпия пара, поступающего в форсунку, кДж/кг.

Параметры пара, поступающего на распыл мазута, обычно составляют 0,3-0,6 МПа и 280-350 °С ; удельный расход пара при номинальной нагрузке находится в пределах Gф = 0,03 – 0,05 кг/кг.

Полное количество теплоты, полезно использованной в котле:

– для водогрейного котла

Q = Dв , кВт ,

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

– для парового котла

, кВт ,

где Dпе – расход перегретого пара, кг/с; Dпр – расход продувочной воды (под непрерывной продувкой понимают ту часть воды, которая удаляется из барабана котла для снижения солесодержания котловой воды), кг/с; iпе – энтальпия перегретого пара, кДж/кг; iпв – энтальпия питательной воды, кДж/кг; iкип – энтальпия кипящей воды, кДж/кг.

Энтальпии определяются по соответствующим температурам пара и воды с учетом изменения давления в пароводяном тракте котельного агрегата.

Расход продувочной воды из барабанного парового котельного агрегата составляет

, кг/с ,

где р – непрерывная продувка котельного агрегата, % ; при р < 2 % теплота продувочной воды составляет менее 0,4 % полезного тепловыделения и может не учитываться.

Коэффициент полезного действия проектируемого парового котельного агрегата определяется из обратного баланса

h = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6) , %.

Задача расчета сводится к определению тепловых потерь для принятого типа парового котельного агрегата и сжигаемого топлива.

Потери теплоты с уходящими газами q2 (5-12%) возникают из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов, покидающих котел, превышает теплоту поступающего в котел воздуха и определяется по формуле

, % ,

где Iух- энтальпия уходящих газов, кДж/кг или кДж/м3, определяемая по Jух при избытке воздуха в продуктах сгорания за воздухоподогревателем первой ступени; Iохв – энтальпия холодного воздуха.

Потери теплоты с уходящими газами зависят от выбранной температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха, так как увеличение избытка воздуха приводит к увеличению объема дымовых газов и, следовательно, возрастанию потерь.

Одним из возможных направлений снижения потерь теплоты с уходящими газами является уменьшение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах, величина которого зависит от коэффициента избытка воздуха в топке и присосов воздуха в газоходы котла

aух = + .

Выбор оптимального значения коэффициента избытка воздуха в топке. Для различных топлив и способов сжигания топлива рекомендуется принимать определенные оптимальные значения αт.

Увеличение избытка воздуха (рис. 2) приводит к росту потерь теплоты с уходящими газами ( q2 ), а снижение – к повышению потерь с химическим и механическим недожогом топлива (q3 , q4 ).

Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха будет соответствовать минимальному значению суммы потерь q2 + q3 + q4 .

Рис. 2. К определению оптимального значения коэффициента

избытка воздуха

Так, оптимальные значения коэффициента избытка воздуха в топке αт при сжигании:

мазута 1,05 – 1,1;

природного газа 1,05 – 1,1;

твердого топлива:

камерное сжигание 1,15 – 1,2;

слоевое сжигание 1,3 – 1,4.

Присосы воздуха по газовому тракту котла в идеале могут быть сведены к нулю, однако полное уплотнение различных лючков и гляделок затруднено, и для котлов, работающих под разряжением, присосы составляют Δα = 0,15 – 0,3.

Важнейшим фактором, влияющим на потерю теплоты с уходящими газами, является температура уходящих газов. Температура уходящих газов оказывает решающее влияние на экономичность работы парового котельного агрегата, так как потеря теплоты с уходящими газами является при нормальных условиях эксплуатации наибольшей даже в сравнении с суммой других потерь. Снижение температуры уходящих газов на 12-16 °С приводит к повышению КПД котельного агрегата примерно на 1,0 %. Температура уходящих газов находится в пределах 120-170 °С. Однако глубокое охлаждение газов требует увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева и во многих случаях приводит к усилению низкотемпературной коррозии.

Низкотемпературной коррозииподвержены, как правило, трубы нижних пакетов воздухоподогревателя I-й ступени. Это связано с тем, что трубы воздухоподогревателя расположены в зоне низких температур уходящих газов и воздуха.

Низкотемпературная коррозия будет происходить, если температура стенки трубы будет ниже температуры точки росы tрдымовых газов.

Температура точки росы – это температура, при которой начинается конденсация водяных паров или паров серной кислоты из дымовых газов.

При полном сгорании топлива дымовые газы состоят из водяных паров Н2О, углекислого газа СО2 , двуокиси серы SO2 , азота N2 и избыточного кислорода О2 . Сернистый ангидрид SO2 , соединяясь с кислородом, образует серный ангидрид

SO2 + O2 → SO3 .

Таким образом, количество серного ангидрида будет определяться количеством избыточного кислорода в продуктах сгорания, то есть коэффициентом избытка воздуха.

В свою очередь, серный ангидрид, соединяясь с водяными парами, образует пары серной кислоты, которые, конденсируясь на поверхности труб, будут вызывать коррозию металла:

Н2О + SO3 → H2SO4 ,

H2SO4 + Fe → FeSO4 + H2 .

При сжигании топлив, не содержащих серы (природный газ, древесное топливо), коррозия будет происходить при конденсации водяных паров

3Н2О + 2Fe → Fe2O3 + 3H2 .

Поэтому температура стенки труб воздухоподогревателя должна быть выше температуры точки росы на 10-15 °С

tст = tр + 10-15 °С ,

и определяется как , °С , где – температура уходящих газов, °С; – температура воздуха на входе в воздухоподогреватель, °С.

Исходя из этого, выбирается температура уходящих газов.

Температура точки росы зависит от парциального давления водяных паров и паров серной кислоты, т.е. зависит от влажности топлива и содержания в нем серы .

При сжигании твердых топлив в пылевидном состоянии температура точки росы дымовых газов tр рассчитывается в зависимости от температуры конденсации влаги при парциальном давлении в газах tкон , которая определяется по «I – d» диаграмме, и приведенного содержания серы и золы в топливе по формуле

tр = tкон + Δtр , °С,

где Δtр определяется по рис. 3.

Рис. 3. Разность температур точки росы дымовых газов и конденсации

содержащихся в них водяных паров при сжигании твердых

топлив

При сжигании мазута с коэффициентом избытка воздуха в топке αт >1,03 температура точки росы дымовых газов определяется по рис. 4.

Рис. 4. Точка росы дымовых газов при сжигании мазута (αт > 1,03)

Продукты сгорания высоковлажных топлив из-за повышенного объема газов требуют для своего охлаждения увеличенных размеров конвективных поверхностей, поэтому при сжигании влажных топлив экономически оправдывается более высокая температура уходящих газов. Рекомендуемые температуры уходящих газов в зависимости от приведенной влажности твердого топлива , (%·кг)/МДж, и температуры питательной воды приведены в табл. 1. Высокая температура уходящих газов при сжигании сернистых мазутов обусловлена защитой воздухоподогревателя от интенсивной низкотемпературной коррозии.

Таблица 1

Рекомендуемые температуры уходящих газов, оС

Источник