Конденсационные котлы

Конденсационные котлы и тепловые установки

Принципы работы, комплект оборудования, схемы установки

1. Предисловие

Экспоненциальный рост населения во всем мире и, как следствие, потребность в улучшении условий жизни большинства людей, предъявляют все возрастающие требования к технологии производства.

Каждая технология требует определенного количества энергии.

СОДЕРЖАНИЕ

01 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ …………………..…….

02 ОПИСАНИЕ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ УСТАНОВКИ ………………………………………………………………………...……

03 НОВЫЕ УСТАНОВКИ И РЕКОНСТРУКЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ АППАРАТОВ .

∙технические характеристики

∙схемы монтажа установок по отдельности и в каскаде

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ

ГОРЕНИЕ

Горение – это экзотермическая (т.е. с выделением тепла) химическая реакция

окисления углерода, для возникновения которой необходимы три составляющих:

1.Топливо - твердое, жидкое или газообразное вещество, которое выделяет тепло при сгорании и содержит значительное количество углерода (С), а часто также и водорода (Н). В последнем случае такие вещества называются углеводородами.

2.Окислитель - им является кислород воздуха, которым мы дышим. В воздухе содержится 21% кислорода (O2), 78% азота (N) и 1% других газов.

3.Температура воспламенения - такая температура, при которой начинается реакция горения, для каждого вида топлива она своя. После достижения данной температуры горение топлива продолжается самопроизвольно. Например, для метана температура воспламенения - 813° С; температура пламени - 2148° С.

Вреальности существует четвертая составляющая, важная для правильного протекания процесса горения - это полное перемешивание топлива и окислителя.

Перемешивание проводится в смесительной камере каждой горелки.

Тепловые установки предназначены для проведения реакции горения и использования производимого тепла, которое будет передаваться с помощью жидкого носителя (в

общем случае воды, но не всегда), в нагревательные элементы (радиаторы,

нагревательные панели) для нагрева помещений или использоваться в промышленности.

Реакция, приведенная далее, отражает процесс горения метана (CH4). Из этой реакции видно, что 1 м3 метана окисляется 2 м3 кислорода, при этом образуется 1 м3

углекислого газа (СО2), 2 м3 паров воды (H2O) и выделяется тепло.

CH4 + 2О2 = СО2 + 2H2Oпар + тепло

Однако, это идеальная химическая реакция (которая, согласно теории протекает полностью), проходящая при атмосферном давлении, но не выполняющаяся в

реальных условиях в объеме установки и при ограниченном времени, которое требуется для производства тепла.

Так определяется объем воздуха, теоретически необходимый для сжигания единицы массы или объема топлива.

Вреальности, при нормальных условиях, метан взаимодействует с кислородом с образованием углекислого газа и паров воды, однако в качестве окислителя выступает воздух, который большей частью состоит из азота.

Всмеси, состоящей главным образом из азота, трудно перемешать кислород с метаном, поэтому в камере сгорания будет оставаться некоторое количество несгоревшего метана, что может приводить к небольшим взрывам, вредным для аппарата.

Для решения этой проблемы, в камеру сгорания требуется поставлять больше кислорода, т.е. необходим избыток воздуха.

В настоящей реакции горения принимают участие также молекулы других веществ, при этом образуются побочные продукты. Азот воздуха при высокой температуре реагирует с кислородом с образованием монооксида азота (NO) и диоксида азота

(NO2), которые обозначаются как NOx.

Диоксид азота взаимодействует, в свою очередь, с парами воды и при определенных условиях в окружении продуктов сгорания образует азотную кислоту. Азотная кислота вызывает сильную коррозию и является главным компонентом кислотных дождей.

При недостаточном количестве кислорода, реакция горения проходит не полностью, и

вместо углекислого газа образуется угарный газ (СО), опасное токсичное вещество без цвета и запаха.

Присутствие СО в продуктах сгорания указывает на плохое горение и низкий КПД.

В топливе также имеется некоторое количество серы. Она может вступать в реакцию с кислородом, образуя SO2, или отлагаться на внешней поверхности труб дымохода

(сернистый налет).

Реакции горения других углеводородов подобны реакция горения метана.

КПД горения

Введем сначала понятие КПД горения, в частности минимального КПД.

Котел предназначен для производства тепла, и это тепло должно быть передано с минимальным количеством потерь во все части установки.

Первый параметр, который следует учитывать – это температура дымовых газов, чем меньше температура дымовых газов на выходе из котла, тем выше теплопередача.

Следовательно, чем больше тепла передается в установку, тем выше КПД котла.

Если бы имелся котел, КПД которого составлял бы 100%, то можно было бы сказать,

что все тепло, произведенное в камере сгорания, удастся передать в установку без потерь, и при этом температура отходящих газов равнялась бы температуре окружающей среды.

Очень сложно оценить КПД подобным образом (прямой КПД), то есть, разделив полезную энергию на произведенную, так как, оказывается, очень трудно учесть скачки температуры в котле.

Эта трудность приводит к необходимости оценки эффективности горения через непрямой КПД.

Поэтому теория горения утверждает, что нет необходимости в оценке КПД прямым методом по причине, указанной выше. Есть возможность сделать это косвенным методом, исходя из максимальной величины КПД, равной 100%, с учетом всех потерь.

На самом деле для обычных котлов, которые имеются в продаже, снижение эффективности происходит главным образом из-за потери тепла с отходящими дымовыми газами. И чем выше температура газов, тем меньше будет КПД.

КПД, с хорошим приближением, выражается следующей формулой:

КПД: 100% - Qs [%] (непрямой КПД)

Qs - ощутимые потери тепла. Это тепловая мощность, которая теряется в дымоходе из-за дымовых газов.

Тепловую мощность Qs рассчитывают с использованием различных переменных. Во-

первых, важна температура отходящих через дымоход газов (Tf), другим параметром,

который необходимо знать является температура подаваемого воздуха (Та). Кроме того, нужно измерить содержание остаточного кислорода в дымовых газах, то есть иными словами, определить какое количество кислорода не вступило в реакцию горения и вернулось в окружающую среду.

Ниже приведена формула, с помощью которой рассчитываются потери тепловой мощности в дымоходе (формула Хассештайна):

QS = [A1/(21-O2) + B] x (Tf - Ta)

QS : потери тепловой мощности

A1, В: коэффициенты, характерные для каждого вида топлива (см. таблицу ниже)

O2: измеренное значение содержания кислорода (O2)

Tf: температура отходящих газов

Ta: температура подаваемого воздуха

∙Значения коэффициентов А1 и В (согласно UNI 10389)

Тип горючего	А1	В
Природный газ	0.66	0.010
Сжиженный газ	0.63	0.008
Газойль	0.68	0.007
Тяжелое топливо	0.68	0.007

Температура отходящих газов: для измерения использовать термометр с точностью

+/- 5° С

Температура подаваемого воздуха : для измерения использовать термометр с точностью +/- 2° С

Кислород (О2)

Оксид углерода (СО)

Индекс дымности (только для жидкого топлива, см. DPR 551 и Dlg.192)

Все вышеперечисленные параметры должны быть приведены в Инструкциях к оборудованию.

Точка замера

Для контроля отходящих газов в дымоходе следует проделать специальное отверстие.

Данное отверстие, согласно нормам UNI 10389, должно быть расположено на расстоянии от выхода из генератора тепла, равном двум диаметрам трубы.

Если дымоход имеет колено сразу после выхода от генератора тепла, необходимо сделать отверстие для контроля отходящих газов на расстоянии одного диаметра дымохода.

Такое расположение контрольного отверстия гарантирует проведение измерений при равномерном потоке отходящих газов, что позволяет сделать анализы с корректными параметрами.

Измеряемые параметры.

Измерение температуры подаваемого воздуха

Измерение температуры подаваемого воздуха проводится рядом с местом входа воздуха в котел. Для котлов с закрытой камерой сгорания необходимо вставить датчик в точку замера на трубе подачи воздуха.

Измерение температуры отходящих газов

Измерение температуры отходящих газов должно проводиться с помощью термопары с диапазоном измерения до 500 ° С.

Анализ O2, CO2, CO

Анализатор отработанных газов измеряет при помощи двух электрохимических ячеек содержание CO и CO2, присутствующих в отходящих газах.

На основании этих двух измерений анализатор рассчитывает содержание израсходованного кислорода по реакции горения.

O2изм./ O2макс. + CO2изм./ CO2макс. + COизм./ COмакс. = 1

В случае общей камеры сгорания, процентное содержание СО очень сильно зависит от содержания O2 и CO2, поэтому предыдущее уравнение сокращается до следующего:

O2изм./ O2макс. + CO2изм./ CO2макс. = 1

O2изм. – измеренное содержание кислорода в %;

O2макс. – максимальное содержание кислорода в %;

CO2изм. – измеренное содержание углекислого газа в %;

CO2макс. – максимальное содержание углекислого газа в %;

Каждое топливо имеет свое теоретическое значение CO2макс. (например, для метана -

11,7%)

Тяга/давление

Газ на выходе из котла обладает более высокой температурой, по сравнению с окружающей средой, поэтому удельный вес дымовых газов будет меньше.

Эта разница создает движущую силу, которая позволяет дымовым газам выходить самопроизвольно (котлы с естественной тягой). Существуют также котлы с принудительной вытяжкой, в которых создается дополнительная тяга с помощью вытяжного вентилятора.

Движущую силу, которая позволяет выходить дымовым газам, обычно называют тягой.

Эта сила позволяет не только отводить дымовые газы, но также дает возможность производить теплообмен в первичном теплообменнике, повышая, таким образом,

производительность котла.

Неправильно отрегулированная тяга оказывает, кроме того, отрицательное воздействие на процесс горения, создавая область несгоревшего топлива внутри камеры сгорания (что опасно), которая препятствует хорошему теплообмену, и

определенным образом оказывая влияние на КПД установки.

В связи с этим необходимо измерять давление в дымоходе соответствующими манометрами.

Для естественной тяги существуют оптимальные значения давления, которые составляют от 3 до 5 Pa.

Индекс дымности

Другим измеряемым параметром является индекс дымности (только для установок с жидким топливом), который определяет количество твердых частиц, присутствующих в дымовых газах.

Индекс дымности определяется сравнением цвета, который приобретает фильтр после прохождения дымовых газов, со специальной шкалой.

Ниже приведены параметры, которые не измеряются, а рассчитываются.

∙Потери тепла в дымоходе

∙Концентрация углекислого газа

∙Избыток воздуха

∙КПД

Концентрация углекислого газа (СО2)

Концентрацию углекислого газа можно рассчитать, при условии, что котел имеет хороший КПД. Если имеется повышенная концентрация СО2 при небольшом избытке воздуха (горение завершено), то потери в дымоходе минимальны и, следовательно, мы имеем высокий КПД.

Избыток воздуха

Для завершения процесса горения по теории необходим избыток воздуха. В

количественном выражении эту величину можно вывести из соотношения между теоретической и практической концентрацией СО2:

λ = СО2t / СО2

Эта величина больше 1.

Оптимальное значение для хорошего горения находится в пределах от 1,15 (избыток воздуха 15%) до 1,25 (избыток воздуха 25%).

3 КОНДЕНСАЦИЯ

Передовым краем современных инновационных технологий в производстве тепла является использование паров воды, образующихся при горении углеводородов.

Как указывалось в предыдущей главе, при горении углеводородов образуются пары воды, и выделяется тепло.

В этом случае выделяемая теплота называется внутренней теплотой сгорания

(теплотворная способность) (pci).

Пары воды, присутствующие в дымовых газах, нагреты до достаточно высокой температуры. Для того, чтобы испарить воду, необходимо затратить тепло, при обратном переходе из газообразной в жидкую фазу это тепло выделяется.

Эта теплота, называемая скрытой теплотой конденсации, является постоянной известной величиной при той температуре и давлении, при которых происходит фазовый переход.

В современных генераторах тепла применяется новая технология, которая позволяет использовать процесс конденсации для получения дополнительного тепла из дымовых газов.

Свободная теплота, утилизируемая по конденсационной технологии, равна сумме внутренней теплоты сгорания и скрытой теплоты конденсации, и называется полной теплотой сгорания (PCS).

Ниже приведены значения полной теплоты сгорания и внутренней теплоты сгорания для метана.

P.C.S. = 39,9 МДж/Нм3 p.c.i. = 35,9 МДж/Нм3

Этот пример показывает, насколько существенна разница между PCS и pci, и

насколько значительна экономия энергии при использовании теплоты конденсации.

Непрекращающиеся исследования, посвященные более рациональному использованию энергии и разработке технологий, оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду, привели к идее максимального извлечения энергии из топлива, т.е. PCS лучше, чем pci.

Почему же, не смотря на различие между значениями PCS и pci, при анализах процессов горения до сих пор почти исключительно используют меньшую из двух величин, то есть pci?

Кроме того, это ограничение приводит к заключению, что котлы и/или генераторы тепла, которые работают, используя технологию конденсации, обладают КПД выше

100%, что весьма затруднительно объяснить с точки зрения термодинамики.

Причин много: во-первых, необходимо придерживаться положения, что скрытая теплота извлекается только из воды, содержащейся в дымовых газах.

Если в дымовых газах также присутствуют соединения серы (достаточно распространенная ситуация для большей части углеводородов), то впоследствии образуются очень агрессивные вещества (например, серная кислота), которые неблагоприятно воздействуют на материалы, обычно применяемые в теплотехнике.

Во-вторых, для конденсации водяных паров требуется охлаждение дымовых газов до точки росы.

Снижение температуры дымовых газов принципиально означает понижение их плотности, поэтому они с большим трудом выходят через дымоход естественным образом, для их эвакуации требуется установка принудительной вытяжки. (????)

Напомним, что точка росы – это температура, при которой парциальное давление водяного пара, содержащегося в дымовых газах, равно давлению насыщения, при использовании природного газа эта температура приблизительно равна 59° С.

Зависимость точки росы от содержания СО2 при использовании в качестве топлива природного газа

	65
°C	60
	55
росы,
	50
	45
точки
	40
Температура	35
	30
	25
	20
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
							CO2%

Зависимость точки росы от избыточного содержания воздуха при использовании в качестве топлива природного газа

Температура точки росы °C

60

55

50

45

40

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2

Избыточноесодержаниевоздуха, %

Очень тяжело получить хорошие результаты в камерах сгорания с естественной тягой,

поэтому камеры сгорания с дополнительным нагнетанием воздуха являются наилучшим решением для этой цели.

Другими словами, при 59° С содержание водяных паров в дымовых газах максимально,

и при быстром снижении температуры происходит их переход в жидкую фазу с выделением скрытой теплоты конденсации.

Например, при температуре 40° С, содержание водяных паров в дымовых газах уменьшается до 50 г (на 1 кг дымовых газов). В состоянии насыщения это значение составляет 140 г.

Дополнительное тепло, которое можно получить, рассчитывается следующим образом:

Q = 2260*(140-50)/1000 = 203,4 кДж/кг дымовых газов,

исходя из того, что скрытая теплота испарения воды равна 2260 кДж/кг.

Присутствие избыточного количества воздуха обязательно для полного прохождения процесса горения. Избыток воздуха влечет за собой уменьшение содержания водяного пара в дымовых газах, что приводит к уменьшению парциального давления и,

следовательно, к снижению температуры точки росы. Поэтому, чем меньше избыток воздуха, тем выше возможность получать максимальную отдачу от топлива, используя процесс конденсации, поскольку процесс начинается при более высокой температуре.