4_Materialnye_balansy_protsessa_gorenia

64

4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

На рис. 4.1 показана схема материальных балансов рабочих веществ в котле. Материальный баланс процесса горения рассмотрен применительно к сжиганию твердого топлива с получением газообразных и твердых продуктов сгорания.

		D
		L2
	Gпр	L3
	L1	Gпв
LВ		G	зл.ч
		LГ
		LВ

В

Gзл1

Gзл2

Gзл3

Рис. 4.1. Схема материальных балансов рабочих веществ в котле: 1 – топочная камера; 2 – испарительные поверхности нагрева; 3 – экономайзер; 4 – пароперегреватель; 5 – воздухоподогреватель; 6 – золоуловитель

В приходной части баланса процесса горения – количество топлива B , кг/с, и окислителя – воздуха Lв , кг/с, организованно поступающие в топку для

сжигания, а также воздух, подсасываемый (при работе под разряжением) по тракту котла в топку – L1 , и балластный воздух L2 и L3 , не участвующий

впроцессе горения топлива.

Врасходной части материального баланса в общем виде – газообразные продукты сгорания, покидающие котел, Lг , кг/с, и твердые минеральные

остатки – зола (шлак), выпадающие по тракту (Gзл1 ,Gзл2 ), улавливаемые в золоуловительной установке (Gзл3 ), кг/с.

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

B + Lв + å L = Lг + åGзл .

(4.1)

65

При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие (åGзл ). При

работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха ( å L ).

4.1. Теоретический расход воздуха на горение

При горении топлива горючие элементы взаимодействуют с окислителем, т.е. с кислородом, и образуют соответствующие окислы CO2 , SO2 , H2O.

Так как окисление идет в основном за счет кислорода, содержащегося в воздухе (21 %), то в продуктах сгорания содержится, кроме указанных окислов, азот, входивший ранее в воздух. Если при полном сгорании топлива прореагирует весь поданный с воздухом кислород, то имеющееся при этом соотношение количеств кислорода и топлива называют стехиометрическим, а коли-

чество поданного воздуха – теоретически необходимым Vв0 , м3/кг или м3/м3.

Необходимое для полного сгорания топлива количество кислорода, объемы и массовые количества продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения для 1 моля горючего. Так, для углерода можно записать

C+O2 =CO2
12 кг C + 32 кг O2 = 44 кг CO2 .	(4.2)
Для 1 кг углерода получим
1 кг C + 2,67 кг O2 = 3,67 кг CO2 ;	(4.3)

Итак, для полного сжигания 1 кг углерода требуется 2,67 кг кислорода и при этом образуется 3,67 кг углекислого газа и т. д.

для серы и водорода соответственно

S+O2 =SO2
1 кг S + 1 кг O2 = 2 кг SO2 ;	(4.4)
2H2 +O2 =2H2O
1 кг H2 + 8 кг O2 = 9 кг H2O.	(4.5)

Суммарная потребность в кислороде, кг, при полном сгорании 1 кг рабочей массы твердого или жидкого топлива с учетом кислорода, имеющегося в самом топливе, равна, кг/кг

66

L0	= 2,67Cр /100 + 8H	р /100 + Sр	/100 − Oр /100 .	(4.6)
O2		л

С учетом того, что в воздухе содержится 21 % кислорода по объему, после подстановки удельной массы кислорода ρO2 = 1,429 кг/м3 и соответст-

вующих преобразований получаем формулу для определения количества

теоретически необходимого воздуха, м3/кг

Vв0	= 0,0889(Cр + 0,375Sрл ) + 0,265Hр − 0,0333Oр .	(4.7)
В массовом выражении, кг/кг
L0в	= 0,115(Cр + 0,375Sрл ) + 0,342Hр − 0,0431Oр .	(4.8)

Для горючих газов Vв0 определится как сумма теоретически необхо-

димых количеств воздуха, потребного для полного сжигания отдельных компонентов газа, м3/м3.

4.2. Теоретические объемы продуктов сгорания

При полном сгорании топлива образуются только продукты полного окисления горючих элементов – CO2 , SO2 , H2O и азот воздуха N2 .

Теоретический объем продуктов сгорания, Vг0 , м3/кг, равен

V 0	= V	+V 0	+V 0	.	(4.9)
г	RO2	N2	H2O

Суммарный теоретический объем трехатомных газов CO2 и SO2 обозначен символом VRO2 , м3/кг, и записывается

	VRO2 = VCO2 +VSO2 .	(4.10)
Эта величина для твердых (кроме сланцев) и жидких топлив равна
VRO2	= 1,866 (Cр + 0,375Sрл ),	(4.11)
	100

где VCO2 и VSO2 подсчитывают по (4.3) и (4.4).

67

Теоретический объем азота V 0 , м3/кг, обусловлен азотом, входящим в

N2

теоретически необходимое для горения количество воздуха, и азотом топлива.

Тогда

V 0	= 0,79V 0 + 0,8			Nр		,		(4.12)
N2		в	100
где 0,8 =1/ ρN2 .
Теоретический объем водяных паров, V 0					, м3/кг, для твердых и жидких
топлив			H2O
V 0	= V H	+V W	+V в				,	(4.13)
H2O	H2O	H2O			H2O

где объем водяных паров, образующийся при сжигании водорода

V H	= 9H	р /100ρ0	= 0,111Hр ,	(4.14)
H2O		H2O

объем водяных паров, образующийся за счет испарения рабочей влаги

V W	= W р /100ρ0	= 0,0124W р ,	(4.15)
H2O	H2O

объем водяных паров, привнесенный с атмосферной влагой в теоретическом объеме

V в	= V 0	ρ	d /ρ0	= 0,0161V 0 .	(4.16)
H2O	в	в	H2O	в

Здесь ρв , ρH2O , d – плотность сухого воздуха, то же водяного пара (кг/м3) и

содержание влаги в воздухе, обычно d = 0,01 кг паров на 1 кг воздуха. Иногда требуются и другие данные, как-то:

а) при паровом распыливании мазута необходимо учитывать объем форсуночного распыливающего пара Gф /ρH2O , м3/кг, где Gф – расход пара на

распыливание мазута, кг/кг; ρH2O = 0,804 кг/м3 – плотность водяного пара при

атмосферном давлении; б) часто требуется оценка парциальных давлений трехатомных газов

rRO2 и rH2O , МПа (кгс/см2)

rRO2 = VRO2 /Vг ; rH2O = VH2O /Vг ;

(4.17)

68

в) концентрация золы в продуктах сгорания, г/м3, равная

μ =10Aр a	ун	/V	(4.18)
		г

где aун – доля золы, уносимой с газами и в среднем равной для топок слоевых

0,2–0,3, для пылеугольных – 0,60–0,95;

г) при сжигании сланцев карбонаты кальция, магния и железа образуют, кроме окислов металла, еще и карбонатную CO2 , которую следует прибав-

лять к вычисленному выше VRO2 :

VRO2к = VRO2 + 0,509(CO2 )к k /100

(4.19)

где (CO2 )к – двуокись углерода в карбонатах, %; k – степень разложения

карбонатов, при слоевом сжигании равная, примерно 0,7, при камерном – 1. Количество продуктов сгорания при сжигании газового топлива рас-

считывают также по стехиометрическим соотношениям для отдельных горючих компонентов.

4.3.Действительные объемы продуктов сгорания

Вдействительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (2–3 с). Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы парового котла, действительный объем воздуха в зоне горения всегда поддерживают несколько больше теоретического. Отношение этих объемов на-

зывают коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

α =	Vд	.	(4.20)
V 0
	в

В практике значение коэффициента избытка воздуха фиксируют на выходе из топочной камеры и обозначают αт . Доля избыточного воздуха в топ-

ке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает. Оно относится по условиям горения к реакционным топливам, поэтому нуждается в меньшем избытке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих. Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигается при использовании

69

газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного н того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха αт нормируется в зависимо-

сти от указанных факторов. Обычно его принимают для разных топлив в следующих пределах:

для твердых	1,15–1,25
для жидких	1,02–1,1
для газовых	1,05–1,1

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает КПД котла. Однако его уменьшение ниже расчетного значения αт ведет к быстрому росту недожога топлива и сниже-

нию экономичности котла. При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки αт равен его значению в горелке αгор и сохраня-

ется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными (исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель).

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через возникающие неплотности (чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла).

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов (рис. 4.2). Присосы определяются в долях от теоретически необходимого количества воздуха

Δα	i	=	Vi ,	(4.24)
			V 0
			в

где Vi – объем присосанного воздуха в пределах i -той поверхности нагрева

парового котла.

Тогда избыток воздуха за i -той по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

αi = αт + åΔαi .

(4.25)

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Δαт . С учетом этого избыток воздуха в зоне горелок будет составлять

70

Δα пар на

пе КПП турбину

α′′
	пп
ВЭ	α′′		αвэ
ШПП			питательная
горячий		вэ	вода
Δαт
воздух
αт			αвп
ВЗП
			холодный
			воздух
α	ух	=	α′′
			вп

Рис. 4.2. К определению присосов воздуха и коэффициента избытка воздуха по газоходам котельного агрегата

αгор = αт − Δαт .

(4.26)

Когда котел работает не под наддувом, а с уравновешенной тягой и в газоходах под воздействием дымососов устанавливается разрежение, тогда действительное количество воздуха растет от топки и до самого дымососа за счет присоса воздуха через наружные ограждения котла. Присосы по основным элементам котла для номинальной паропроизводительности принимают: для слоевых механических и ручных топок αт = 0,1–0,3; для камерных то-

пок в зависимости от обшивки	αт = 0,03–0,1; пароперегревателя	αпе	=
0,03; стального экономайзера αэк	= 0,02; трубчатого стального воздухопо-
догревателя αвп = 0,03–0,06; регенеративного воздухоподогревателя		αрвп	=

0,2–0,25.

При работе системы пылеприготовления имеют место свои присосы воздуха, и тогда при подсчете потребного количества Vпер – первичного и

Vвтор – вторичного воздуха необходимо произвести подсчет воздушного ба-

ланса системы пылеприготовления и котла.

Подсчет объемов продуктов сгорания топлива производится согласно рекомендациям величин αт и присосам холодного воздуха α по участкам

газового тракта. В этом случае считают, что процесс горения топлива идет до полного окисления его горючих составляющих.

71

В реальных условиях вследствие недостаточного избытка воздуха или при плохом перемешивании топлива с воздухом в продуктах сгорания может образоваться некоторое количество продуктов неполного горения – CO , а иногда – CH4 и H2 .

Если учитывать, что процесс горения, как правило, заканчивается в топочной камере (топке), объем трехатомных газов не изменяется по всему тракту дымовых газов. Избыточное по отношению к теоретически необходимому количество воздуха приводит к увеличению в продуктах сгорания объ-

ема водяных паров на величину		V	, м3/кг или м3/м3:
		H2O
V		= 0,0161(α −1)V 0 .			(4.21)
H2O				в
и появлению в них избыточного воздуха V , м3/кг или м3/м3:
				в
		V = (α −1)V 0 .			(4.22)
		в		в
Действительный объем продуктов сгорания таким образом
V = V		0 +1,0161(		α −1)V 0 .	(4.23)
г	г			в
V = V	+ V 0		+ V	+ (α −1)V 0 .	(4.24)
г RO2		N2	H2O	в

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом – путем определения процентного содержания RO2 =CO2 +SO2 в сухих газах при известном для данного топлива максималь-

но возможном значении ROмакс2 . Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при α = 1 и O2 = 0):

	ROмакс2	=		21	,	(4.25)
			(1	+ βт )

где βт – топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива

βт	= 2,35 Hp − 0,126Op +0,038Np .	(4.26)
	Cp +0,375Sp

Значения ROмакс2 для видов топлив находятся довольно в узких пределах: для

твердых – 18–20%; для мазута – 16–17%; для природного газа – 11–13%.

В этом случае для определения избытка воздуха используют углекислотную формулу

72

	ROмакс2
a =	RO2 .	(4.27)

Значение RO2 определяют в составе исследуемого газа ручным газоанализа-

тором либо на хроматографе.

В настоящее время наиболее широко применяется прямой метод определения избыточного кислорода в потоке дымовых газов. В этом случае контроль за избытком воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. Прибор показывает количество O2 в процентах от объема

осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

	0,21(a -1)V 0
O2 =	в	100.	(4.28)
	Vс.г

С учетом ранее сказанного объем Vс.г @ aVв0 , тогда

	O2	=	21(a -1)	(4.29)
			a

и окончательно искомое значение избытка воздуха

	21
a =	21- O2 .	(4.30)

Если в дымовых газах есть заметное количество продуктов неполного сгорания (CO , H2 ) , то нельзя весь кислород считать избыточным. Часть его

должна быть израсходована на окисление этих продуктов. Тогда формула (4.30) примет вид:

a =			21			,	(4.31)
	21- éO	2	- 0,5(CO+H	2	)ù
ë					û

где CO , H2 – процентное содержание в газах продуктов химического недо-

жога. Их количество определяется методами газовой хроматографии. Контроль за избытком воздуха на котле обычно осуществляют в двух

точках газового тракта: в поворотной камере (или за конвективным паропере-

73

гревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O2 в поворот-

ной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере.

4.4. Энтальпии продуктов сгорания воздуха

Pacчeт энтaльпий прoдуктoв cгoрaния нeoбxoдим для oпpeдeлeния тeплoвocпpиятия пoвepxнocтeй нaгpeвa и измeнeния тeплocoдepжaния гaзoвoгo пoтoкa. Пpи тeплoтexничecкиx pacчeтax пpинятo yдeльнyю

энтaльпию пpoдyктoв cгopaния опpeдeлять для oбъeмa гaзoв, пoлyчaющeгocя пpи cгopaнии 1 кг или 1 м3 тoпливa, и yдeльнyю энтaльпию

вoздyxa тaкжe oтнocить к eгo oбъeмy, нeoбxoдимoмy для cжигaния 1 кг или 1 м3 тoпливa. Oбычнo этo знaчeниe энтaльпии oбoзнaчaeтcя бyквoй H и выpaжаетcя в кДж/м3. Taк кaк тeплoeмкocти oтдeльныx гaзoв в cocтaвe

пpoдyктoв cгopaния paзличны, тo энтaльпии кoмпoнeнтoв дымoвыx гaзoв пoдcчитывaютcя oтдeльнo и зaтeм cyммиpyютcя. Taк, энтaльпия тeopeтичecкoгo oбъeмa пpoдyктoв cгopaния пpи тeмпepaтype гaзoв ϑ, °C, со-

ставляет:

	Hг0 = (VRO2 cCO2 + VN2 cN2 + VH2OcH2O )ϑ .			(4.32)
где cCO2 ,	cN2 , cH2O – объемные теплоемкости отдельных компонентов дымо-
вых газов, взятые при расчетной температуре газов ϑ, кДж/(м3∙К).
Энтальпия газового потока при избытке воздуха α > 1 определяется
как
	Hг = Hг0 + Hв + Hзл	= Hг0 + (α −1) Hв0 + Hзл .		(4.33)
Здесь Hв0	– энтальпия теоретического объема воздуха при температуре газо-
вого потока:
	H 0 =V 0		с ϑ,	(4.34)
	в	в	в

где св – объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м3∙К). Последний член уравнения (4.33) Hзл учитывает энтальпию золовых частиц в потоке:

	Hзл	= (сϑ)		Ap aун	,	(4.35)
			зл	100