Тепловой баланс котельного агрегата. Эффективность использования топлива.

Общее уравнение теплового баланса

В процессе работы котельного агрегата неизбежны потери и степень экономического совершенства оценивается КПД. Для определения КПД агрегата составляют тепловой баланс, под которым подразумевают распределение теплоты, выделившейся при горении топлива, на полезную теплоту, используемую на получения пара требуемых параметров и на тепловые потери.

При сжигании 1 кг (м³) топлива наибольшее количество теплоты, которое может выделиться в топке, складывается:

,

где низшая теплота сгорания топлива, ,

теплота, внесенная в топку вместе с подогретым воздухом. Эта теплота учитывается только в том случае, если воздух подогревается от постороннего источника теплоты (калорифер);

физическое тепло топлива, получаемое им при внешнем подогреве;

тепло внесённое с паровым дутьём (например, при распылении мазута паром);

располагаемая теплота, кДж/кг или кДж/м³.

Чаще всего при расчётах полагают, что располагаемая теплота равна низшей теплоте сгорания.

Часть располагаемой теплоты затрачивается на подогрев и испарение воды, а также перегрев пара – это использованная теплота.

Другая часть теплоты, которая не может быть использована, составляет тепловые потери.

Баланс котельного агрегата, составленный к часовому расходу топлива (В = кг/час) будет выглядеть следующим образом

Чтобы повысить КПД котельного агрегата необходимо свести до минимума его тепловые потери.

Q₂ – потери теплоты с уходящими газами

Q₃ – потери теплоты от химического недожога

Q₄ – потери теплоты от механического недожога (потери теплоты со шлаком и уносом топлива)

Q₅ – потери теплоты от наружного охлаждения котельной установки

Q₆ – потери теплоты с физическим теплом шлака

Тепловые потери часто рассчитывают в относительной форме

Потери теплоты с уходящими газами, Q₂.

Эти потери обусловлены тем, что продукты сгорания имеют температуру более высокую, чем атмосферный воздух.

, кДж/кг или кДж/м³,

где энтальпия газов, выбрасываемая в атмосферу

энтальпия атмосферного воздуха

Из формулы видно, что потери зависят от температуры уходящих газов, а температура уходящих газов зависит от площади омываемых поверхностей.

Температура уходящих газов зависит от величины омываемой поверхности и от интенсивности теплообмена. С другой стороны, поверхность нагрева, помещённая в зоне высоких температур, воспринимает во много раз больше теплоты, чем расположенная в зоне низкой температуры продуктов сгорания. Поэтому даже небольшое снижение t_УХ требует существенного увеличения поверхности нагрева.

На практике производят технико-экономическое сравнение, и расчётом определяют оптимальную температуру уходящих газов. На эту температуру оказывает влияние также влажность топлива. Чем выше влажность, тем выше температура уходящих газов и объём продуктов сгорания. Чем выше влажность топлива, тем больше потери с уходящими газами.

Температуру уходящих газов, в больших котельных агрегатах выбирают в пределах 110-160 ⁰С. Нижний предел для маловлажностного топлива, а высший - для высоковлажностного.

Присосы по ходу газового тракта увеличивают объём продуктов сгорания, т.е. увеличивают потери теплоты с уходящими газами.

Эта потеря является наибольшей из всех потерь и обычно составляет 5-10%.

Расчётные значения потерь с уходящими газами достигаются лишь при чистых поверхностях нагрева. Если поверхности нагрева загрязнены, то теплообмен ухудшается и потери возрастают.

Потери теплоты от химического недожога, Q₃.

В продуктах сгорания могут находиться продукты неполного сгорания топлива СО, Н₂, СН₄, часть исходного топлива и другие газы. Сгорание этих газов за пределами топочной камеры невозможно из-за низкой температуры в газоходах котла.

Тепло, которое могло быть выделено в топочной камере в случае догорания газообразных горючих, составляет химический недожог. Потери теплоты от химического недожога определяют:

,

где V – объем горючих газов,

Q_н – низшая теплота сгорания, .

При сжигании жидкого и твердого топлива содержание Н₂ и СН₄ в продуктах сгорания ничтожно, и потери теплоты от химического недожога не учитывают.

Потери теплоты от химического недожога зависят от способа сжигания топлива, от количества воздуха для горения, от плохого перемешивания воздуха с топливом.

Обычно топливо прибывает в камере 1.5 – 2 сек. За это время топливо должно полностью сгореть. Если объем топки мал, а топливо стараются подать больше, то топливо не успевает сгореть, вследствие чего появляется химический недожог. Если же топливо подавать мало и медленно, то снижается температура горения, а понижение температуры горения приводит к увеличению химического недожога. Ориентировочно эти потери составляют до 5%.

Потери теплоты от механического недожога, Q₄.

Эти потери обусловлены тем, что часть топлива, поступившего в топку, не до конца участвуют в процессе горения и уносится с уходящими газами. Это количество теплоты, которое должно было бы выделиться при полном сгорании топлива, называется механическим недожогом.

Потери теплоты со шлаком определяются тем, что частицы топлива оседают в жидком шлаке и, когда шлак застывает, удаляются вместе с ним. Эти потери составляют 1-3%.

Потери теплоты с уносом определяются тем, что частички топлива, а также топливо в мелких частичках золы по газоходу с потоком продуктов сгорания удаляются из котельного агрегата. Часть этих частичек оседает на конвективных поверхностях, а часть улавливается золоулавливающими устройствами. Эти потери составляют 0, 5-2, 5%.

Основные факторы, влияющие на Q₄: тонкость размола, выход летучих, длительность пребывания продуктов сгорания в топке. При сгорании жидкого и газообразного топлива Q₄ пренебрегают.