- •1. Паровые котлы на твердом топливе типа «ке» производительностью 2.5-10 т/ч.
- •2. Водяной экономайзер
- •3. Определение количества воздуха, необходимого для горения, состава и объема дымовых газов и их энтальпии
- •4. Составление теплового баланса котельного агрегата и определение часового расхода топлива
- •6. Тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева
3. Определение количества воздуха, необходимого для горения, состава и объема дымовых газов и их энтальпии
Элементарный состав твердого топлива на рабочую массу задается следующим уравнением:
Cr + Hr + Оr + Nr +Sr + Ar+ Wr = 100 %
Где Sr, Hr, Оr Cr, Nr - содержание химических элементов (сера, водород, кислород, углерод, азот), % содержание по массе; Аr - содержание минеральной части в топливе, % по массе; Wr - содержание влаги, % по массе.
В топке котла идет окисление атмосферы кислородом горючих компонентов. Стехиометрические уравнения можно представить так:
С + О2 = СО2;
S + О2=SО2;
4Н + О2 = 2Н2О.
Эти уравнения показывают, что при завершенном процессе горения уходящие газы содержат СО2; SО2; H2О. В них, кроме того, есть атмосферный и топливный азот, а так как горение приходится вести с некоторым избытком воздуха, то и кислород.
Необходимый объем воздуха, а также состав дымовых газов вычисляют при нормальных условиях для 1 кг топлива по балансовым уравнениям реакций.
Теоретический объем воздуха (м /кг) определяют по формуле:
V°B=0,0889*(Cr + 0,375Sr)+0,265Hr-0,033*Or
V°B =0,0899*(47,5+0,375*0,5)+0,265*3,4-0,033*9,3=4,881м3/кг
Объем диоксида углерода:
VСО2 =0,0187*Cr VСО2=0,0187*47,5=0,88825 м3/кг
Объем диоксида серы:
VSO2= 0,0069*Sr
VSO2 = 0,0069*0, 5= 0,00345 м3/кг
Теоретический объем азота (м3/кг) в продуктах сгорания при теоретическом объеме воздуха находят по формуле:
Объем диоксида углерода:
V°N2 = 0,79*V°B+0,008*Nr
V°N2 =0,79*4,881 +0,008*0,9=3,8632м3/кг
Водяные пары в дымовых газах образуются в результате сгорания водорода топлива и испарения влаги , а так же вносятся поступающим воздухом. Теоретический объем водяных паров рассчитывают по формуле:
VоH2O=0,111*Hr+0,0124*Wr+0,0161*V°B
VоH2O =0,111*3,4+0,0124*23+0,0161*4,881 =0,7412 м3/кг
Принято обозначать сумму объемов диоксидов серы и углерода (сухих трехатомных газов) как VоRO2
VоRO2= VSO2+ VСО2
VоRO2=0,00345 +0,88825 =0,8917 м3/кг
Теоретический объем дымовых газов определяют по формуле:
VоR= VоRO2+ VоH2O + VоN2
VоR =0,8917 +0,7412 +3,8632 =5,4961 м3/кг
В условиях существующих конструкций топок для горения требуется избыточный по сравнению с теоретически необходимым объемом воздуха, устанавливаемый по формуле:
V в = осх V в , где а - коэффициент избытка воздуха.
Избыточный воздух в процессе горения не участвует, но увеличивает количество дымовых газов.
Так как газоходы котла находятся под разряжением, создаваемым дымососом и дымовой трубой, то в них попадает воздух. Величину присоса воздуха нормируют в долях а. Для слоевой топки, труб кипятильного пучка, экономайзера ∆α= 0,1. Для стальных газоходов за котельным агрегатом на каждые 10м ∆α = 0,1; для кирпичных на каждые 10м ∆α = 0,05. По этим нормам можно вычислить коэффициент избытка воздуха после элемента газового тракта, а также его среднее значение:
α"= α'+∆α
α"=1,3 + 0,1=1,4
αср= (α' + α")/2
Для топки: αср = 1,35
Для кипятильной трубы: αср= 1,45
Для экономайзера: αср = 1,55
где, α', α ", αср - соответственно коэффициенты избытка воздуха перед элементом, после элемента и его среднее значение.
Избыточный объем воздуха, попавшего в газоход, можно определить таким образом:
∆Vв=( αср -1)* Vов
Для топки: ∆Vв = (1,35-1)* 4,881=1,7084 м3/кг
Для кипятильной трубы: ∆Vв = (1,45-1)* 4,881=2,1965 м3/кг
Для экономайзера: ∆Vв = (1,55-1)* 4,881=2,6846 м3/кг
Избыточный объем водяных паров (м3/кг) находят по формуле:
∆ VH2O = 0,0161 *∆ VB
Для топки: ∆ VH2O = 0,0161*1,7084 = 0,0275 м3/кг
Для кипятильной трубы: ∆ VH2O = 0,0161*2,1965 = 0,0354 м3/кг Для экономайзера: ∆ VH2O = 0,0161*2,6846 = 0,0432 м3/кг
Действительные объемы продуктов сгорания и водяных паров определяются по формулам:
VR = VоR +∆Vв +∆ VH2O
Для топки: VR =5,4961 +1,7084 +0,0275=7,232 м3/кг
Для кипятильной трубы: VR =5,4961+2,1965 +0,0354 =7,728 м3/кг
Для экономайзера: VR =5,4961+2,6846 +0,0432 =8,2239 м3/кг
VH2O = VоH2O + ∆VH2O
Для топки:
Для кипятильной трубы:
Для экономайзера:
VH2O=0,7412+0,0275=0,7687 м3/кг VH2O=0,7412+0,0354=0,7766 м3/кг VH2O =0,7412 +0,0432=0,7844 м3/кг
При тепловом расчете котельного агрегата необходимо знать объемные доли трехатомных сухих газов rRO2и водяных паров rH2O, которые определяют так:
rRO2 = (VSO2+VCO2)/ VR
Для топки:
rRO2= (0,00345+0,88825)/ 7,232 =0,1233 м3/кг
Для кипятильной трубы: rRO2= (0,00345 +0,88825)/ 7,728 =0,1154 м3/кг
Для экономайзера:
rRO2= (0,00345+0,88825)/ 8,2239 =0,1084 м3/кг
rH2O = VH2O/ VR
Для топки:
Для кипятильной трубы: Для экономайзера:
rH2O =0,7687 /7,232 =0,1063 м3/кг rH2O =0,7766 /7,728 =0,1005 м3/кг rH2O =0,7844 /8,2239 =0,0954 м3/кг
Суммарную объемную долю трехатомных газов находят по формуле:
rn=rRO2+rH2O
Для топки:
rn =0,1233 +0,1063 =0,2296 м3/кг
Для кипятильной трубы: rn =0,1154 +0,1005 =0,2159 м3/кг
Для экономайзера:
rn =0,1084 +0,0954 =0,2038 м3/кг
При сжигании твердого топлива важно знать концентрацию летучей золы (г3/м) в дымовых газах, которую можно установить с помощью выражения:
μ=(10*Ar*aYH)/VR, где aYH - доля минеральной части топлива, уносимой газами (при слоевом сжигании 0,2)
Для топки: μ=(10*15,4*0,2)/ 7,232 = 4,2588 г3/м
Для кипятильной трубы: μ =(10*15,4*0,2)/ 7,728 = 3,9855 г3/м
Для экономайзера:
μ =(10*15,4*0,2)/ 8,2239 = 3,7452 г3/м
Полученные результаты записываем в таблицу 1.
Таблица 1.
Рассчитываемая величина |
Обозначение |
Элементы газового тракта | ||
Топка |
кипятильные трубы |
экономайзер | ||
Коэффициент избытка воздуха в конце топки |
α' |
1,3 |
— |
— |
Подсос |
∆α |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
Коэффициент избытка воздуха за элементом тракта |
Α " |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
Средний коэффициент избытка |
ΑСР |
1,35 |
1,45 |
1,55 |
Избыточный объем воздуха |
∆VB |
1,7084 |
2,1965 |
2,6846 |
Избыточный объем водяных паров |
∆VH2O |
0,0275 |
0,0354 |
0,0432 |
Действительный объем продуктов сгорания |
VR |
7,232 |
7,728 |
8,2239 |
Действительный объем водяных паров |
VH2O |
0,7687 |
0,7766 |
0,7844 |
Объемная доля сухих трехатомных газов |
rRO2 |
0,1233 |
0,1154 |
0,1084 |
Объемная доля водяных паров |
rH2O |
0,1063 |
0,1005 |
0,0954 |
Общая объемная доля трехатомных газов |
rn |
0,2296 |
0,2159 |
0,2038 |
Концентрация летучей золы |
μ |
4,2588 |
3,9855 |
3,7452 |
Энтальпию воздуха, газообразных продуктов сгорания, золы относят к 1кг сжигаемого топлива (кДж/кг) и находят по формулам:
H°B =V° B *(C*Q) B
HRO2= VRO2*(C*Q) RO2
H°N2=V°N2*(C*Q) N2
H°H2O= V° H2O *(C*Q) H2O
Н ЗЛ=a yh*Аг*(С*Q) ЗЛ /100;
где (С*Q) - произведение теплоемкости на температуру (определяем по таблице 2 из методички).
Энтальпию теоретического количества продуктов сгорания рассчитывают по формуле:
Н°r =HRO2+ H°N2+ H°H2O + Н ЗЛ
Энтальпию действительного количества продуктов сгорания рассчитывают по формуле: Нr= Н°r + (α " -1) * H°B
Энтальпия золы мала по сравнению с энтальпией дымовых газов. По этой причине в технологических расчетах ее учитывают только в тех случаях, когда:
1000* a yh *Ar/QrH>25
1000*0,2*15,4/18040 >25
0,1707317 <25
где QrH - низшая теплота сгорания на рабочую массу, кДж/кг.
В каждом элементе газового тракта свои значения коэффициента избытка воздуха и температуры, а следовательно, энтальпии газов. Значения энтальпии продуктов сгорания подсчитывают и сводят в таблицу 2.
|
Наименование |
Формула |
Объе м, м3/кг |
Температура продуктов сгорания | |||||||||||||||
|
рассчитываемой величины |
|
|
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
800 |
006 |
1000 |
1100 |
1400 |
1500 |
1600 |
1700 |
1800 |
1900 | |
|
Энтальпия теоретического количества воздуха, необходимого для горения |
H°B =(С*Q) B* V°B |
4,881 |
646,2 |
1300,3 |
1967,04 |
265,99 |
3341,53 |
5521,88 |
6257,93 |
7014,49 |
7791,54 |
10143,69 |
10941,73 |
11739,29 |
12536,85 |
13334,4 |
14152,46 | |
|
Энтальпия сухих трехатомных газов |
HRO2= V°RO2*(C*Q) RO2
|
0,8917 |
151,68 |
319,05 |
498,73 |
688,93 |
889,2 |
1520,61 |
1741,04 |
1965,22 |
2193,14 |
2891,87 |
3127,19 |
3362,6 |
3601,75 |
3840,82 |
4079,97 | |
|
Энтальпия теоретического количества двухатомных газов |
H°N2=V°N2*(C*Q) N2
|
3,8632 |
501,44 |
1004,82 |
1514,76 |
2036,29 |
2567,1 |
4224,41 |
4807,37 |
5389,94 |
5972,89 |
7769,67 |
8368,46 |
8983,49 |
9598,89 |
10213,91 |
10845,16 | |
|
Энтальпия теоретического количества водяных паров |
H°H2O= V° H2O *(C*Q) H2O
|
0,7412 |
111,77 |
225,77 |
343,1 |
464,58 |
590,14 |
990,69 |
1130,4 |
12798,46 |
1428,59 |
1897,55 |
2065 |
2226,71 |
2394,45 |
2565,22 |
2736,07 | |
|
Энтальпия золы |
Н ЗЛ=a yh*Аг*(С*Q) ЗЛ /100 |
|
2,49 |
5,21 |
8,13 |
11,09 |
14,13 |
23,64 |
26,97 |
30,33 |
33,81 |
48,78 |
54,2 |
57,81 |
63,62 |
67,35 |
73,56 | |
|
Энтальпия теоретического количества продуктов сгорания |
Н°r =HRO2+ H°N2+ H°H2O + Н ЗЛ
|
|
767,38 |
1554,85 |
2364,72 |
3200,89 |
4060,57 |
6759,35 |
7705,78 |
8665,34 |
9628,43 |
12607,87 |
13614,85 |
14630,61 |
15658,71 |
16687,3 |
17734,76 | |
|
Энтальпия действитель ного количества продуктов сгорания за элементами газового тракта |
За топкой |
Н°r +(α т" -1) * H°B |
|
|
|
|
|
|
8692,01 |
9896,08 |
11120,41 |
12355,47 |
16158,16 |
17444,46 |
18739,36 |
20046,61 |
21354,34 |
22688,12 |
|
|
За конвективным пучком |
Н°r +(α к" -1) * H°B |
|
|
2140 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
За экономайзером |
Н°r +(α э" -1) * H°B |
|
1122,79 |
2270,02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|