Тепловой и эксергетический балансы котла

Общее уравнение теплового баланса

В котельной установке при сжигании органического топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Выделившаяся теплота за вычетом потерь передается рабочему веществу - теплоносителю, в результате получается полезная продукция, например водяной пар. Эффективность энергоиспользования в котельной установке, а также направления его совершенствования устанавливаются тепловым (энергетическим) балансом.

При установившемся состоянии баланс потоков рабочего вещества и энергии для котельной установки в целом и отдельных ее частей или элементов можно записать так:

уравнение сохранения вещества:

(4.15.1)

уравнение сохранения энергии:

(4.15.2)

где - количества поступившего вещества (например, воды) и энергии (теплоты); - количества полезно преобразованного вещества (полученного пара) и энергии (теплоты пара); - потери вещества и энергии.

При нестационарных режимах равенство между притоками и стоками (вещества и энергии) нарушается с изменением внутренней энергии.

Тепловой баланс котла, как и любого другого теплотехнологического агрегата, характеризует равенство между приходом и расходом теплоты:

(4.15.3)

Составляющие теплового баланса для теплотехнологических установок в общем случае могут быть выражены отношением количества затраченной теплоты на единицу полученного продукта, например в МДж на килограмм технологического продукта, или количеством теплоты в единицу времени - в МДж в секунду (мегаваттах), или количеством теплоты на единицу топлива - в МДж на килограмм для твердого и жидкого топлива или МДж на кубический метр для газообразного топлива. Для котельных установок тепловой баланс составляют на 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газа при 273 К и 0,1013 МПа.

Приходная часть теплового баланса (располагаемая теплота МДж/кг или МДж/м³) в общем случае записывается в виде:

(4.15.4)

где внесенная химическая теплота:

(4.15.5)

а внесенная физическая теплота:

(4.15.6)

Рассмотрим составляющие приходной частитеплового баланса. - низшая рабочая теплота сгорания единицы топлива, МДж/кг или МДж/м³ - для твердого и жидкого или газа, не учитывающая, как известно, теплоту образования водяных паров. Это согласуется с тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котел, - 120 °С, при такой температуре содержащийся в них водяной пар не конденсируется. При охлаждении же продуктов сгорания до температуры, при которой на поверхности нагрева возможна конденсация водяных паров, расчеты следует выполнять с учетом высшей теплоты сгорания топлива .

Член учитывают при использовании теплоты экзотермических реакций,возможных при осуществлении некоторых технологических процессов. В качестве примера можно указать на экзотермический процесс обжига колчедана в кипящем слое с установкой в последнем теплоиспользующих элементов для получения пара. Процесс обжига проходит без дополнительного использования топлива, поэтому в этом случае в выражении для определения теплота сгорания топлива отсутствует.

Член учитывает затраты теплоты на возможные эндотермические реакции.Например, при сжигании сланцев, когда часть выделяющейся теплоты затрачивается на разложение карбонатов,

(4.15.7)

где 4,05 - теплота разложения 1кг карбонатной золы, МДж/кг; - коэффициент разложения карбонатов при камерном сжигании сланцев, - при слоевом сжигании; - углекислота карбонатов.

Входящий в выражение для определения член ,МДж/кг (или МДж/м³), учитывает физическую теплоту (энтальпию) топлива:

, (4.15.8)

где - теплоемкость рабочего топлива, МДж/(кг-К) или МДж/ (м³• К); -температура топлива, °С.

При поступлении в котел твердое топливо имеет обычно малую температуру, приближающуюся к нулю, а теплоемкость сухой массы топлива находится в пределах от (антрацит) до МДж/(кг-К) (фрезерный торф). В связи с этим невелико по значению. Энтальпию твердого топлива учитывают в случае предварительного его подогрева вне котла посторонним источником теплоты (при сушке в разомкнутой системе пылеприготовления, паровых сушилках и т.п.). При этом температуру и влажность топлива принимают по состоянию его перед топкой.

Жидкое топливо (мазут) для снижения вязкости и улучшения распыла поступает в топку подогретым до 80 -120 °С. Теплоемкость мазута при этом МДж/(кг-К) и составляет . Теплоемкость мазута , МДж/(кг-К), определяется по формуле:

(4.15.9)

Учет целесообразен при сжигании газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (например, доменного газа) при условии специального нагрева его до относительно высокой температуры (200 - 300 °С), когда составляет .

Теплоемкость газообразного топлива (на 1 м³ сухого газа), МДж/(м'-К), определяется по формуле:

(4.15.10)

где - содержания соответствующих компонентов в газообразном топливе, %; - теплоемкости газов, МДж/(м³- К); - влагосодержание газообразного топлива, г/м³.

При сжигании газообразного топлива с высокой теплотой сгорания (например, природного газа) имеет место повышенное соотношение массы воздуха и газа (примерно / 10 : 1). В этом случае топливо - газ обычно не подогревают.

Член учитывает энтальпию воздуха, как поступившего в котел через воздушный подогреватель, так и присосанного через газоходы котла.

Энтальпию горячего воздуха учитывают лишь при подогреве его вне агрегата, до воздушного подогревателя f котла за счет постороннего источника теплоты (подогрев в паровом калорифере отборным или отработанным паром, подогрев в автономном подогревателе при сжигании дополнительного топлива). В этом случае теплота, внесенная воздухом, МДж/кг (или МДж/м³ ):

, (4.15.11)

где - отношение количества воздуха на входе в котел (воздухоподогреватель) к теоретически необходимому; и - энтальпия теоретически необходимого количества подогретого перед воздушным подогревателем воздуха до и холодного воздуха с температурой .

Член , МДж/кг, учитывает теплоту, вносимую в агрегат паром при паровом распыливании мазута или при подаче под решетку пара для улучшения ее работы при слоевом сжигании антрацита:

, (4.15.12)

где - удельный расход дутьевого пара, кг/кг. При паровом распыливании мазута кг/кг, при слоевом сжигании антрацита и подаче пара под решетку кг/кг; - энтальпия дутьевого пара, МДж/кг; 2,51 МДж/кг -примерное значение энтальпии водяного пара в продуктах сгорания, уходящих в атмосферу.

Для котла, использующего в качестве источника теплоты энтальпию отходящих газов теплотехнологического устройства , (котел-утилизатор), при отсутствии в газах продуктов неполного горения:

(4.15.13)

При наличии в отходящих газах и горючих составляющих (газообразных или твердых) при условии сжигания их под котлом в приходной части баланса учитывают и их химическую теплоту.

Член включают в уравнения баланса при выработке пара с использованием в качестве источника теплоты электроэнергии. В этом случае для электрокотла:

(4.15.14)

Таким образом, в общем выражении приходной части теплового баланса котла для конкретных случаев ряд членов может отсутствовать.

При составлении теплового баланса для котла, работающего на органическом топливе, при отсутствии выработки пара за счет теплоты экзотермических технологических реакций ( ) и с учетом замечаний о значениях других составляющих приходную часть баланса в расчете; на 1 кг (м³) топлива можно принять:

(или )

Расходная часть теплового баланса в расчете на 1 кг (м³) топлива в общем случае может содержать теплоту, затраченную на выработку пара (или горячей воды) и различные потери:

(4.15.15)

В простейшем случае (без учета продувки, возможной дополнительной выработки насыщенного пара и др.) теплота, полезно затраченная на выработку перегретого пара, МДж/кг (или МДж/м³), составит:

(4.15.16)

где - выход пара, кг/с; - расход топлива, кг/с (или м/с); -энтальпии перегретого пара и питательной воды, МДж/кг.

Остальные слагаемые представляют собой следующие тепловые потери, подробно рассматриваемые далее: - энтальпия уходящих из котла газов, МДж/кг (или МДж/м³ ); - потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива, МДж/кг (или МДж/м³ ); - потери теплоты от наружного охлаждения внешних ограждений котла, МДж/кг (или МДж/м³); - потеря с физической теплотой шлаков, МДж/кг; - потеря теплоты с охлаждаемыми балками, панелями топки, не включенными в циркуляционную систему агрегата; - расход (знак « + ») или приход теплоты «знак к «—»), связанный с неустановившимся тепловым режимом I работы котла, МДж/кг (или МДж/м³). При установившемся тепловом состоянии .

С учетом теплоты холодного воздуха общее уравнение теплового баланса котла при установившемся тепловом состоянии можно записать в виде равенства, МДж/кг (или МДж/м³):

(4.15.17)

Отношение количества теплоты, полезно затраченной на выработку пара , МВт, к теплоте топлива ,МВт, является коэффициентом полезного действия (КПД) котла, %:

(4.15.18)

По существу это выражение является коэффициентом полезного спользования теплоты топлива.

Расход топлива, кг/с (или м³ /с), определяется по формуле:

(4.15.19)