yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Котельные установки промышленных предприятий

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Источником энергии для котельных установок различного назначения на промышленных предприятиях являются природные и искусственные топлива, в твердом, жидком и газообразном состояниях и т.п.

В настоящее время и на обозримую перспективу основным источником первичной энергии для котельных установок промышленных предприятий является органическое топливо.

В котельных установках промышленных предприятий в качестве твердого топлива применяются различные угли:

а) бурые           МДж/кг,   %;

б) каменные     МДж/кг,  %;

в) антрациты    МДж/кг,  %;

д) полуантрациты  МДж/кг,    %;

з) горючие сланцы  МДж/кг,   %;

к) торф                МДж/кг,  %.

Используется также промпродукт – высокозольные отходы углеобогащения и шлам, образующийся при мокром обогащении углей    %).

Применяются различные заменители твердого топлива – брикеты из угля  , брикеты из торфа  , городской мусор   и другие отходы.

На промышленных предприятиях в котельных установках в качестве жидкого топлива продолжает ещё использоваться мазут – остаточный продукт нефтепереработки  . В соответствии с ГОСТ 10585-75 применяются топочные мазуты марок 40 В с государственным знаком качества и 40,100 В с государственным знаком качества и 100.

 

2.1 Газообразное топливо

 

Газообразное топливо – это различные горючие газы. Применяют:

а) природные газы   ;

б) попутные газы   ;

в) промышленные газы:

1) доменный  ;

2) коксовый   .

В состав газа входят: метан (СН4), углеводороды высших порядков (SСmHn), водород (H2 ), азот (N), углекислый газ (СО2), сероводород (H2S).

Если состав твердых и жидких топлив задан в процентах на горючую массу, то при определенных значениях рабочей зольности и влажности АР и WP, %, состав топлива на рабочую массу можно определить умножением имеющихся значений Сr, Hr, Or, Nr,  на коэффициент

                                                                  (2.1)

т.е.             и  т.д.

При этом   

 СРРР+NP++AP+WP=100 %                                   (2.2)

Пересчет теплоты сгорания с известной горючей массы                                                                                                                                                                                                                 на рабочую , МДж/кг,  может быть выполнен по формуле

.                                            (2.3)

Теплота сгорания газообразного топлива , МДж/кг, подсчитывается по составу газа и теплоте сгорания отдельных его горючих составляющих:

  (2.4)

где СO, H2, H2S, CH4 – объемное содержание в топливе отдельных компонентов, %;

      QCO, , ,  и т.д. – теплота сгорания газов, МДж/м3.

В котлах сжигают также смесь топлив.  При сжигании смеси двух топлив (твердых или жидких) теплоту сгорания 1 кг смеси МДж/кг, можно подсчитать по формуле:

                                                 (2.5)

где  - массовая доля одного из топлив в смеси;

 -  теплоты сгорания компонентов смеси, МДж/кг.

Если смесь задана в долях по тепловыделению входящих в ее состав топлив, то для перехода к массовым долям используется формула

                                                           (2.6)

где  - доля одного из топлив в общем тепловыделении смеси.

При сжигании смеси твердого или жидкого топлива с газообразным расчеты условно ведут на 1кг твердого или жидкого топлива с учетом приходящегося на него количества газообразного топлива. Условная теплота сгорания смеси топлив подсчитывается по формуле

 ,                                                                 (2.7)

где     - теплота сгорания твердого (или жидкого) топлива, МДж/кг;

 - теплота сгорания газообразного топлива, МДж/м3;

х – количество газа, приходящегося на 1 кг твердого или жидкого топлива, м3/кг.

Если смесь твердого или жидкого топлива с газом задана в долях по тепловыделению каждого вида топлива, то количество газа, приходящееся на 1 кг твердого или жидкого топлива, составляет

                                               ,                                                  (2.8)

где  - доля твердого или жидкого топлива в суммарном тепловыделении смеси.

При оценке эффективности использования топлива применяют понятие об условном топливе. При расходе реального топлива В, кг/с, с теплотой сгорания  расход условного топлива, кг/с, составит

 .                                                                    (2.9)

Для сравнения различных топлив, сжигаемых в котлах, применяют приведенные характеристики топлива, % кг/МДж:

- приведенная зольность   ;                                                       (2.10)

- приведенная влажность  ;                                                     (2.11)

-  приведенная серность     ;                                                      (2.12)

показывающие количество золы, влаги и серы, приходящиеся на 1 МДж топлива.

 

2.2 Материальный баланс котельной установки

 

На рисунке 2.1 показана схема материальных балансов рабочих веществ в котле.

В приходной части баланса процесса горения – количество топлива В, кг/с, и окислителя – воздуха LВ, кг/с, организованно поступающих в топку для сжигания, а также воздух, подсасываемый по тракту котла в топку ΔL1, и балластный воздух ΔL2 и ΔL3 , не участвующий в процессе горения топлива.

В расходной части материального баланса (в общем виде) – газообразные продукты сгорания, покидающие котел, Lr, кг/с, и твердые минеральные остатки – зола (шлак), выпадающие по тракту ( Gзл1, Gзл2), улавливаемые в золоуловительной установке (Gзл3) и уносимые газообразными продуктами сгорания (Gзл4), кг/с.

В общем случае уравнение материального баланса процесса горения топлива в котле имеет вид

.                                            (2.13)

При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие. При работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха.

При определении расхода окислителя (кислорода, воздуха) учитывают, что для твердого и жидкого топлив, состав рабочей массы которых задается в процентах, горючими составляющими являются углерод, водород и сера:

В соответствии с результативной стехиометрической реакцией

C    +   O2  =   CO2

12кг +  32кг =   44кг

для сжигания 1 кг C до CO2  требуется кислорода :

где 1,428  -  плотность кислорода, кг/м3.

Для газообразного топлива, состав которого задается в объемных долях(%),   CO + H2 + H2S + ΣCmHn + CO2 + N2 + O2 = 100, горючими составляющими являются CO, H2, H2S и различные углеводороды CmHn :

CO + H2 + H2S + ΣCmHn + CO2 + N2 + O2 = 100

В соответствии с результативной реакцией

CO + 0,5 O2 = CO2

на 1 м3 CO затрачивается  = 0,5 м33 кислорода.

Теоретический расход кислорода , м3/кг, необходимого для полного сгорания 1кг твердого или жидкого топлива с учетом кислорода Op, имеющегося в топливе, определяется по формуле:

                ,                           (2.14)

а для сгорания 1 м3 газообразного топлива, м33,

                              (2.15)

При использовании атмосферного воздуха (О2 = 21%) его теоретический расход на горение составляет, м3/кг

  

В связи с этим при сжигании твердого или жидкого топлива теоретическое количество расходуемого на горение сухого воздуха, м3/кг, определяется по формуле:

               ,                           (2.16)

а при сжигании сухого газообразного топлива, м33

      .               (2.17)

Так как обеспечить идеальное смешение воздуха с топливом в процессе подготовки топлива к сжиганию не удается, то для более полного выгорания топлива воздух в топку котла подают в количестве >.

Действительное количество воздуха, поступающего в топку, м3/кг

                                                                                                                             (2.18)

Коэффициент избытка воздуха αт =/ зависит от вида сжигаемого топлива, его качества, степени измельчения, способа сжигания, а также от конструкции топочного устройства и составляет  1,01 – 1,5. Чем благоприятнее условия для смешения газообразного окислителя с горючими элементами топлива, тем значением αт  может быть меньшим.

В котельных установках, работающих под разрежением, в газоходах за топкой коэффициент избытка воздуха обычно возрастает из-за присоса холодного воздуха, что определяется недостаточной герметизацией лючков, гляделок, обмуровки и т.п. В связи с этим в уходящих газах коэффициент избытка воздуха   αу.г. >   αт

                                          αу.г. =   αт  +   Σ Δα.                                                  (2.19)

Присосы воздуха в газоходы котла являются нежелательными. Они приводят к снижению температурного уровня газов, что ухудшает теплопередачу, а также к увеличению их объема, что повышает расходы энергии на удаление продуктов сгорания.

Присос воздуха по элементам котла и газоходам, находящимся под разрежением, а также в пылеприготовительную установку составляет   

                                                Δα = 0 ÷ 0,2 .

При работе котла под давлением в газовом тракте присос воздуха отсутствуют.

 

2.3 Состав и количество продуктов сгорания

 

В общем случае в топке котла газообразные продукты сгорания, представляемые суммой объемов отдельных газов на единицу количества топлива, могут содержать, м3/кг ( м3 / м3 ) :

Vг =  VCO2 + VSO2 + VCO + VH2 + ΣVCmHn + VN2 + VO2 + VH2O                   (2.20)

В выражение входят продукты полного сгорания (CO2, SO2, H2O) и неполного (CO, H2, CmHn) сгорания топлива, а также избыточный воздух

(O2 N2).

При разделении продуктов сгорания на сухие газы и водяные пары можно записать :

               Vг =  Vс.г. + VН2O = VRO2 + VCO + VN2 + VO2 + VH2O                   (2.21)

где  VRO2  - объем трехатомных газов.

Дальнейшая часть сводится к расчету используя эмпирические  уравнения:

VRO2 ,

N2 ,

H2O  .

Определяем Vг  как сумма сухих газов и H2O

Vг  =  Vc.г. +  VH2O ,                                                                                      (2.22)

при   α > 1

Vс.г. = VRO+ VْN2 + (α – 1) Vْв ,                                                                   (2.23)

VH2O  = H2O  + 0,0161 (α – 1) Vْв ,                                                                (2.24)

Vг = VRO2 + VْN2 + VH2O + (α – 1) Vْв                                                            (2.25)

 

2.4 Энтальпия продуктов сгорания и диаграмма

 

В общем случае энтальпия продуктов сгорания

                                            I =  Iг +  Iзл                                                         (2.26)

При  α = 1

                              Iْг = VRO2(ct)RO2 + VْN2(ct)N2+ VْH2O(ct)H2O + Iзл                 (2.27)

 

Энтальпия золы, МДж/кг

                                           ,                                           (2.28)

где  –  доля золы топлива, уносимой газами,

       –  энтальпия 1 кг золы.

        –  зависит от топлива, типа и конструкции топки, выбирается по рекомендации.

Поскольку коэффициент избытка воздуха изменяется по газоходам котла, то

                                          Iг =  Iْг + (α – 1) Iْв ,                                              (2.29)

Энтальпия теоретически необходимого воздуха :

                                                 Iْв  =   Iْв  (ct)в                                                 (2.30)

По указанным формулам вычисляют энтальпии для разных α  и строят  I,t – диаграмму( Рис. 2.2) .

 

 
    1— топочная  камера; 2 — испарительные  поверхности  нагрева;                                    3— экономайзер;  4 — пароперегреватель;  5 — воздухоподогреватель;  6 —золоуловитель

Рисунок 2.1 - Схема материальных балансов рабочих веществ в котле:

 

1 – область температур для воздухоподогревателя, 2 – для экономайзера,

3 – для пароперегревателя, 4 – для котельного пучка (фестона),

5 – для топки.

Рисунок 2.2 - Примерный характер I, t-диаграммы

 

 

 

 

 

7