Владлен Котлер - Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы

(4.2)

Точно так же можно подсчитать количество необходимого кислорода для полного сгорания водорода (5,56 м 3/кг) и серы (0,7 м 3/кг). После этого легко определить теоретически необходимый расход кислорода для полного сгорания твердого и жидкого топлива (с учетом кислорода О r, который имеется в сжигаемом топливе):

. (4.3)

Если учесть, что содержание кислорода в воздухе (по объему) составляет приблизительно 21 %, то для определения теоретического количества сухого воздуха V B O(м 3/кг), необходимого для полного сгорания твердого и жидкого топлива (то есть при α = 1,0), можно записать:

V B O= 0,0889 (С r+ 0,375S r O+K) + 0,265Н r− 0,ЗЗЗО r. (4.4)

Аналогичный расчет для случая, когда в котле сжигается газообразное топливо, позволяет определить теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м 3газа (V B Oм 3/м 3) с известным химическим составом:

V B O= 0,0476 [0,5СО + 0,5Н 2+ 1,5H 2S + 2(m + n/4)С mН n−O 2]. (4.5)

Скорость горения, как и скорость других химических реакций, зависит, в частности, от концентрации реагирующих веществ. Поэтому теоретически необходимого количества воздуха оказывается недостаточно для полного сгорания топлива: на последней стадии горения скорость реакций станет недопустимо малой – топливо не успеет сгореть в зоне высоких температур. Именно поэтому в топку подают количество воздуха, превышающее теоретически необходимое. Отношение первого ко второму называют коэффициентом избытка воздуха и традиционно обозначают первой буквой греческого алфавита – α. Следовательно,

α = V B/ V B O, (4.6)

где V Bи V B O– фактический и теоретически необходимый расходы воздуха (м 3/кг или м 3/м 3).

В некоторых странах используют не «коэффициент» (отношение), а «избыток» воздуха в процентах, то есть 100 (V B− V B O) / V B O. Понятно, что α = 1,15, например, соответствует избытку воздуха 15 %, α = 1,2–20 %, и т. д.

После завершения топочного процесса в котле образуются продукты сгорания, состав и количество которых имеют большое значение как для процессов теплообмена и аэродинамики в конвективных поверхностях нагрева, так и для анализа проблемы загрязнения атмосферного воздуха.

Если пренебречь ничтожно малым объемом монооксида углерода V co, то можно считать, что газообразные продукты сгорания – это трехатомные газы: (V co 2+ V so 2), азот V N 2и водяные пары V H 2O. Объем трехатомных газов V RO 2(м 3/кг) удобно выразить в виде одного члена:

. (4.7)

Объем азота при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха будет равен сумме азота воздуха и молекулярного азота, образовавшегося из азотсодержащих компонентов топлива:

. (4.8)

Объем водяных паров в продуктах сгорания складывается из нескольких составляющих: водяного пара, образовавшегося при сгорании водорода топлива, испарившейся влаги топлива и, наконец, влаги, внесенной в топку вместе с теоретически необходимым количеством воздуха:

. (4.9)

В этом уравнении принято, что влагосодержание воздуха α в= 10 г/кг. В тех случаях, когда в котле сжигается мазут с использованием форсунок парового распыливания, необходимо добавить еще один член – 1,24 G Ф, где G Ф– расход пара, кг/кг.

Объем водяных паров при фактическом расходе воздуха (α>1) будет несколько больше за счет водяных паров, содержащихся в дополнительном воздухе (α−1):

. (4.10)

Таким образом, окончательное выражение для подсчета объема продуктов сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива К (м 3/кг) имеет вид:

. (4.11)

При сжигании газообразного топлива теоретический объем азота, как и в случае с углем, состоит из азота воздуха и молекулярного азота, присутствующего в топливе:

. (4.12)

Объем трехатомных газов V RO 2(м 3/м 3) при сжигании газа равен:

. (4.13)

Теоретический объем водяных паров также рассчитывается по формуле, отличающейся от аналогичной зависимости для угля:

. (4.14)

Здесь d г.тл– влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м 3сухого газа, г/м 3. Теперь, для определения объема водяных паров и общего объема дымовых газов при сжигании газообразного топлива с α>1,0 можно воспользоваться уравнениями ( 4.10) и ( 4.11).

В некоторых случаях требуется определить плотность сухого газа ρ d г.тл(кг/м 3). Зная состав газа, легко рассчитать ρ d г.тлпри нормальных условиях:

ρ d г.тл= 0,01[1,96CO 2+ 1,52H 2S + 1,25N 2+ 1,43О 2+ 1,25СО + 0,0899Н 2+ Σ(0,536m + 0,045n)С mН n]. (4.15)

После этого можно определить массу дымовых газов (кг/м 3) при сжигании природного газа:

. (4.16)

При сжигании твердого топлива масса продуктов сгорания (кг/кг) рассчитывается по другой формуле:

. (4.17)

Материальный баланс нагреваемой среды в паровом котле достаточно прост: поступает в котел питательная вода при температуре, определяемой системой подогрева с использованием низкопотенциальной теплоты из отборов паровой турбины. Выдает котельная установка на ТЭС перегретый пар, используемый для производства электрической энергии.

На промышленных предприятиях чаще можно встретить котлы, вырабатывающие насыщенный пар для технологических нужд или систем отопления.

Кроме пара, в расходную часть материального баланса (только на барабанных котлах) должна быть включена продувка, то есть котловая вода, удаляемая из барабана с загрязняющими примесями. Таким образом, уравнение материального баланса для пароводяного (точнее – для водопарового) тракта имеет простой вид: