DПП и DНП - расходы перегретого и насыщенного пара соответственно, вырабатываемые КА, кг / с.

Для составления теплового (энергетического) баланса котельный агрегат представляется в виде такого же «черного ящика», работающего в стационарном режиме, с указанием всех энергетических потоков, которые входят в него и выходят из него.

Энергетические потоки, входящие в КА, вносятся соответствующими материальными потоками: питательной водой, топливом и воздухом.

Аналогичным образом дело обстоит и с выходящими из КА энергетическими потоками, за одним исключением. К выходящим потокам дополнительно присоединяется поток энергии, теряемой рабочим объемом КА через обмуровку в окружающую среду из-за разности температур внутри и снаружи КА (за счет наружного охлаждения КА).

Изображенный на рис. 9.1 котельный агрегат является открытой термодинамической системой, которая по определению, может обмениваться с окружающей средой и веществом и энергией. Как и для любой термодинамической системы, для работающего КА выполняется I закон термодинамики. Рассмотрим работу КА в течение некоторого интервала времени, т.е. процесс перехода термодинамической системы - КА из состояния 1 (начальный момент времени) в состояние 2 (конечный момент времени). В соответствии с I законом термодинамики, для такого процесса в общем виде можно записать:

U2 - U1 = Q? ? L, кДж,(9.3)

где U1 и U2 - значения внутренней энергии КА в начале и конце процесса соответственно, кДж;

Q? ? алгебраическая сумма всех теплот, подведенных к КА и отведенных от него за указанный интервал времени, кДж;

L - механическая работа, совершенная в ходе процесса и переданная в окружающую среду, кДж.

Отметим, что внутри КА при его функционировании никакой механической работы не производится, т.е. L = 0. Так как КА работает в стационарном режиме, то его внутренняя энергия не меняется во времени, т.е. U2 = U1. Следовательно, из (9.3) получаем:

Q? = 0, кДж. (9.4)

Очевидно, что Q? это разность между подводимой и отводимой от КА энергии:

Q? = QПОД - QОТ, кДж,(9.5)

где QПОД и QОТ - суммарные энергии, которые за время рассматриваемого процесса подводятся к КА и отводятся от него соответственно.

Сопоставляя (9.4) и (9.5) получаем:

QПОД = QОТ, кДж. (9.6)

Уравнение (9.6) называется уравнением теплового баланса КА (вытекает из I закона термодинамики).

Разделим обе части равенства (9.6) на длительность интервала времени ?ф, с, от начального состояния 1 до конечного состояния 2, и введем обозначения и .

Тогда вместо (9.6) получаем:

QВХ = QВЫХ, кДж / с = кВт,(9.7)

где QВХ и QВЫХ - входящие в КА и выходящие из него в единицу времени суммарные потоки энергии.

Подставим в (9.7) вместо QВХ и QВЫХ слагаемые, из которых они состоят. В результате получаем балансовое уравнение для потоков энергии в единицу времени:

QХТ + QФТ + QВОЗД + QПВ = QПП + QНП + QПР + QДГ +

+ QХНТ + QМНТ + QНО + QШЛ, кВт,(9.8)

где QХТ и QФТ - энергия, вносимая топливом, химическая и физическая соответственно, кВт;

QВОЗД - энергия, вносимая воздухом, кВт;

QПВ - энергия, вносимая питательной водой, кВт;

QПП - энергия, выносимая перегретым паром, кВт;

QНП - энергия, выносимая насыщенным паром, кВт;

QПР - энергия, выносимая котловой (продувочной) водой, кВт;

QДГ - энергия, выносимая дымовыми газами, включая частицы золы, кВт;

QХНТ - энергия, выносимая из-за химического недожога топлива (химическая энергия неполного сгорания), кВт;

QМНТ - энергия, выносимая из-за механической неполноты горения (недожог топлива в шлаке, провал топлива через колосниковую решетку и унос мелких частиц топлива газовым потоком), кВт;

QНО - энергия, выносимая из-за наружного охлаждения КА (за счет теплопередачи через ограждения рабочего объема), кВт;

QШЛ - энергия, выносимая со шлаком, кВт.

Представление КА в виде «черного ящика» для составления теплового баланса показано на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема котельного агрегата в виде «черного ящика» для теплового баланса

Рассмотрим более подробно слагаемые, входящие в уравнение (9.8).

Значение QХТ, QФТ определяются по очевидным соотношениям:

QХТ = ВТ · , кВт,(9.9)

QФТ = ВТ · , кВт,(9.10)

где ВТ ? расход топлива на КА, кг / с;

? низшая рабочая теплота сгорания, кДж / кг;

QТ = · (tT - 0) = · tT - физическая теплота топлива, т.е. это теплота, затраченная на нагрев 1 кг топлива в устройствах, не входящих в состав КА (т.е. работающих не путем использования теплоты уходящих дымовых газов), кДж / кг;

и tT - удельная теплоемкость, кДж / (кг • К), и температура, оС, рабочего топлива.

При расчете QВОЗД следует учитывать, что воздух может быть предварительно нагрет в устройствах, не входящих в КА. Начальная температура холодного воздуха tХВ, оС, при отсутствии специальных указаний, принимается равной 30 оС [8]. Если воздух вне КА предварительно подогрет до tВ, оС, то:

QВОЗД = QВ ХОЛ + QВ ПОД, кВт, (9.11)

где QВ ХОЛ = GВ · ср в • (tХВ - 0) - энергия, вносимая холодным воздухом, кВт;

QВ ПОД = GВ · ср в • (tВ - tХВ) - энергия, затраченная вне КА на предварительный подогрев воздуха, кВт;

- средняя удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж / (кг · К);

GВ - расход воздуха, поступающего в КА, кг / с.

В уравнении теплового баланса КА (9.8) подставим (9.9) - (9.11) и преобразуем, перенеся в правую часть QВ ХОЛ и QПВ:

ВТ · + ВТ · QТ + QВ ПОД = (QПП + QНП + QПР ? QПВ) +

(QДГ ? QВ ХОЛ)+ QХНТ + QМНТ + QНО + QШЛ, кВт.(9.12)

Преобразуем левую часть равенства (9.12) к виду:

ВТ · + ВТ · QТ + QВ ПОД = ВТ ( + QТ + ) =

= ВТ ( + QТ + QВ), кВт. (9.13)

где - это та часть энергии воздуха, поступающего в КА при сжигании 1 кг топлива, которая соответствует его подогреву вне КА от tХВ до tВ.

Значение QВ рассчитывается следующим образом:

, (9.14)

где VВ - объемный расход воздуха, поступающего в КА, нм3 / с;

- средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж /(нм3 · К);

VД - действительный расход воздуха на сжигание 1 кг топлива, нм3 / кг;

VО - теоретически необходимый расход воздуха на сжигание 1 кг топлива, нм3 / кг;

б - коэффициент избытка воздуха.

Учитывая выражение (9.13) введем следующее обозначение:

+ QТ + QВ, (9.15)

где ? называется располагаемая теплота, кДж / кг.

В результате уравнение теплового баланса КА в виде (9.12) с учетом (9.13) и (9.15) преобразуется к виду:

ВТ · = (QПП + QНП + QПР ? QПВ) + (QДГ ? QВ ХОЛ) +

+ QХНТ + QМНТ + QНО + QШЛ, кВт. (9.16)

Рассмотрим, как рассчитываются величины в правой части равенства (9.16).

Слагаемые в первой круглой скобке определяются очевидными соотношениями:

QПП = DПП · iПП, кВт;(9.17)

QНП = DНП · iНП, кВт;(9.18)

QПР = DПР · iКВ, кВт;(9.19)

QПВ = DПВ · iПВ, кВт,(9.20)

где DПП ? расход выработанного перегретого пара, кг / с;

iПП ? удельная энтальпия перегретого пара у главной парозапорной задвижки, кДж / кг, находится по давлению и температуре (по таблицам или i-s диаграмме водяного пара);

DНП ? расход насыщенного пара, отданного помимо пароперегревателя, кг / с;

iНП ? удельная энтальпия насыщенного пара в барабане, кДж / кг, находится по давлению (по таблицам или i-s диаграмме водяного пара);

DПР ? расход котловой воды на продувку котла, кг / с;

iКВ ? удельная энтальпия котловой воды, кДж / кг, находится по давлению в барабане (только по таблицам);

DПВ ? расход питательной воды на входе в КА, кг / с;

iПВ ? удельная энтальпия питательной воды, кДж / кг, находится по ее температуре tПВ, оС.

Воспользовавшись уравнением материального баланса (9.2) выражение (9.20) можно представить в виде:

QПВ = (DПП + DНП + DПР) · iПВ, кВт.(9.21)

С учетом (9.17) - (9.19) и (9.21) выражение в первой круглой скобке (9.16) можно преобразовать к виду:

(QПП + QНП + QПР ? QПВ) = DПП (iПП ? iПВ) + DНП (iНП ? iПВ ) +

+ DПР (iКВ ? iПВ), кВт. (9.22)

Разделив (9.22) на ВТ и введя обозначение Q1, получим:

,,(9.23)

где Q1 - полезно используемая теплота в КА, кДж / кг, т.е. теплота, которая израсходована на производство пара (нагрев воды, испарение и перегрев пара).

Примечание:

DПР можно выразить через коэффициент непрерывной продувки Р, который задается в %:

 (9.24)

Коэффициент непрерывной продувки характеризует в % расход питательной воды, теряемой в процессе непрерывной продувки и восполняемой подпиточной водой.

В формуле (9.8) значение энергии, теряемой в единицу времени из-за механического недожога топлива QМНТ, рассчитывается как произведение:

QМНТ = BМНТ • , кВт, (9.25)

где ВМНТ - расход теряемого из-за механического недожога топлива, кг / с.

Разделив (9.25) на ВТ и введя обозначение Q4, получим:

Q4 = ,(9.26)

где Q4 - потеря теплоты от механического недожога топлива, кДж / кг.

Примечание:

Из (9.26) следует, что:

(9.27)

Из-за механического недожога топлива (недожог топлива в шлаке, просыпь топлива через колосниковую решетку, унос мелких частиц топлива газовым потоком) расход реально сгорающего топлива ВТ реал оказывается несколько меньше ВТ - расхода топлива, подаваемого в КА:

ВТ реал = ВТ - ВМНТ = (9.28)

С учетом (9.27) из (9.28) можно получить формулу:

ВТ реал = (9.29)

Очевидно, что величина ВМНТ складывается из двух составляющих:

ВМНТ = ВУН + ВПР + ШЛ, кг / с,(9.30)

где ВУН - расход топлива, уносимого газами;

ВПР + ШЛ - расход топлива, уносимого за счет просыпи и шлака.

Для характеристики уноса вводится величина - содержание топлива в уносе ГУН:

(9.31)

где расход золы, уносимой газами, кг / с.

Из (9.31) можно получить, что:

(9.32)

Аналогично вводится величина - содержание топлива в просыпе и шлаке ГПР + ШЛ:

 (9.33)

где расход золы в просыпе и шлаке, кг / с.

Из (9.33) можно получить:

(9.34)

Значение рассчитывается по формуле:

= aУН · GЗОЛ, кг / с.(9.35)

где GЗОЛ - расход всей золы, образующейся при сгорании топлива в единицу времени, кг / с;

aУН - доля золы уноса от всей золы топлива (безразмерная величина).

Значение рассчитывается аналогичным образом по формуле:

= aПР + ШЛ · GЗОЛ, кг / с.(9.36)

где aПР + ШЛ - доля золы в просыпи и шлаке от всей золы топлива.

Значение определяется очевидной формулой:

кг / с, (9.37)

где АР - зольность рабочего топлива, %.

Подставляя (9.30) - (9.37) в (9.26) получаем:

(9.38)

При подсчете Q4 по формуле (9.38) рекомендуется [8] вместо использовать значение средней низшей теплоты сгорания топлива, содержащегося в уносе, провале и шлаке, со значением = 32700 кДж / кг. Соответственно формула (9.38) принимает вид:

(9.39)

Примечание:

При сжигании газообразного топлива принимается Q4 = 0.

Очевидно, что расходы воздуха на горение топлива и дымовых газов, образовавшихся в результате этого горения, определяются расходом реально сгорающего в единицу времени топлива ВТ реал (формула (9.29)):

(9.40)

(9.41)

где VB и VДГ - объемные расходы воздуха и дымовых газов, нм3 / с;

объем действительного воздуха, затрачиваемого на сжигание 1 кг (или 1 нм3) топлива, нм3 / кг (или нм3 / нм3), рассчитывается с помощью формул (6.3), (6.14) и (6.30);

VГ - объем дымовых газов, образующихся при сжигании 1 кг (или 1 нм3) топлива, нм3 / кг (или нм3 / нм3), рассчитывается по формуле (6.31).

Используя формулы (9.40) и (9.41) можно получить выражение для разности , стоящей во второй круглой скобке (9.13).

При этом следует отметить, что QДГ включает энергию той части золы, которая уносится из КА дымовыми газами и имеет такую же, как у них температуру tДГ. Доля золы уноса определяется коэффициентом aУН. Общее количество золы реально образующейся в КА определяется расходом реально сгоревшего в КА топлива ВТ реал, рассчитываемого по формуле (9.29). Соответственно для уносимой золы можно записать:

кВт, (9.42)

где QЗОЛ - энергия выносимая из КА золой, содержащейся в дымовых газах, кВт;

сЗОЛ - средняя удельная теплоемкость золы, кДж / (кг · К).

В итоге, с учетом (9.40) - (9.42), можем получить:

кДж / с, (9.43)

где и - средние удельные объемные теплоемкости при постоянном давлении дымовых газов и воздуха соответственно, кДж / (нм3 · К);

tХВ - температура холодного воздуха, оС, tХВ = 30 оС [8].

Разделив (9.43) на ВТ и вводя обозначение Q2, получим:

кДж / кг, (9.44)

где Q2 - потеря теплоты с уходящими газами, кДж / кг или кДж / нм3;

VГ · сґрm ДГ · tДГ = Iух - энтальпия дымовых газов, кДж / кг или кДж / нм3;

aУН · cЗОЛ · tДГ = IЗЛ - энтальпия золы, уносимой дымовыми газами, кДж / кг или кДж / нм3;

· сґрm В · tХВ = IХВ - энтальпия холодного воздуха, кДж / кг или кДж / нм3.

С учетом принятых выше обозначений вместо (9.44) можем записать:

Q2 = (Iух + Iзл - Iхв) · , кДж / кг топлива. (9.45)

В случае наличия в дымовых газах СО часть теплоты теряется вследствие химической неполноты сгорания QХНТ.

Расчет потерь теплоты в результате химической неполноты сгорания определяется соотношением:

QХНТ = VCO · ,(9.46)

где VCO - объем окиси углерода, выходящий из КА в единицу времени, нм3 / с;

? низшая рабочая теплота сгорания окиси углерода, = 12640 кДж / нм3 [2].

Случаи, когда помимо СО дымовые газы содержат в качестве продуктов неполного сгорания Н2, СН4 и др., рассматриваются аналогичным образом.

Значение VCO определяется по содержанию в сухих дымовых газах окиси углерода (на практике определяется газоанализатором).

По определению , откуда

VCO = VCДГ · , нм3 / с,(9.47)

где VCДГ - объем сухих дымовых газов, выходящих из КА за секунду, нм3 / с;

СО - объемный процент окиси углерода в сухих дымовых газах, %.

Значение VCДГ рассчитывается через расход реально сгоревшего топлива ВТ реал:

VCДГ = VCГ • ВТ реал = VCГ • Вт · , нм3 / с, (9.48)

где VCГ - объем сухих дымовых газов, образовавшихся при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, нм3 / кг, рассчитывается по формуле (6.32).

Если в (9.46) обе части равенства поделить на ВТ и ввести обозначение Q3, то с учетом (9.47) и (9.48), можно получить:

, кДж / кг, (9.49)

где Q3 - потери теплоты от химического недожога топлива.

Для случая применения твердого или жидкого топлива формула (9.49) упрощается в части подсчета VСГ. При сгорании 1 кг такого топлива, в частности, образуются следующие объемы газов, нм3 / кг: (двуокись углерода), VCO (окись углерода), (двуокись серы).

Для суммы этих объемов легко можно получить формулу, аналогичную (6.43):

+ VCO + = 1,87 · , нм3 / кг. (9.50)

Поделим обе части (9.50) на VСГ, в результате чего будем иметь:

,(9.51)

где ? объемная доля СО2 в сухих дымовых газах;

? объемная доля СО в сухих дымовых газах;

? объемная доля SО2 в сухих дымовых газах.

Преобразуем (9.51) к виду:

, нм3 / кг, (9.52)

где RO2 = CO2 + SO2.

После подставления (9.52) в (9.49) получаем для твердого или жидкого топлива:

=

= , кДж / кг. (9.53)

Примечание: При сжигании газообразного топлива можно обеспечить его полное горение, поэтому в расчетах, как правило, принимают Q3 = 0.

Энергия, теряемая КА из-за наружного охлаждения QНО (см. формулу (9.18)) через внешние поверхности относительно невелика и с ростом производительности котла уменьшается. После деления QНО на ВТ вводится обозначение Q5:

, кДж / кг, (9.54)

где Q5 - потеря теплоты в окружающую среду.

Значение Q5 определяется с помощью графика, построенного на базе экспериментальных данных [8], рис. 9.3.

Рис. 9.3. График зависимости потери тепла в окружающую среду от производительности котла

После деления QШЛ, входящего в правую часть уравнения (9.18) на ВТ вводится обозначение Q6:

, кДж / кг, (9.55)

где Q6 - потеря теплоты со шлаком.

Величина Q6 рассчитывается при использовании твердых топлив. При твердом золоудалении значение ее невелико и учитывается только для многозольных топлив. При жидком щлакоудалении Q6 определяется при любой зольности топлива. Для расчета Q6 очевидным образом вводится величина aШЛ = 1 - aУН - доля от всей золы топлива в шлаке (остается в зольнике). Соответственно можно записать:

Q6 = aШЛ · · cШЛ · tШЛ, кДж / кг, (9.56)

где АР - содержание золы в рабочем топливе, %;

cШЛ - теплоемкость шлака, кДж / (кг · К);

tШЛ - температура шлака, оС.

Разделим обе части уравнения теплового баланса КА (9.16) на ВТ и используем, введенные выше, обозначения для Q1, Q2, … Q6. В результате получим уравнение теплового баланса на 1 кг (или 1 нм3) топлива:

= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6, кДж / кг или кДж / нм3. (9.57)

Разделим обе части равенства (9.57) на и умножим на 100 %:

100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6,%, (9.58)

где ? полезно используемая теплота, %;

? потери теплоты с уходящими газами, %;

? потери теплоты от химического недожога

топлива, %;

? потери теплоты от механического недожога

топлива, %;

? потери теплоты в окружающую среду, %;

? потери теплоты со шлаком, %.

Для оценки эффективности работы вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД) КА брутто . По определению он равен:

= q1, %. (9.59)

С другой стороны, очевидно, что:

q1 = 100 - (q2 + q3 + q4 + q5 + q6) = , %. (9.60)

Так как, в соответствии с (9.58) , а Q1 рассчитывается по (9.23), получается:

. (9.61)

Примечание:

1. В случае, если КА вырабатывает только перегретый пар, то формула (9.61) примет вид (т.к. DНП = 0):

, кДж/кг, (9.62)

где Р - коэффициент непрерывной продувки, %.

2. Очевидно, что в случае, когда КА вырабатывает только насыщенный пар в формуле (9.61) DПП = 0.

3. Из (9.61) также очевидно следует, что теплота, полезно использованная в водогрейных котлах может быть рассчитана по формуле (т.к. для этого случая DПП = 0 и DНП = 0, а DПР = МВ - расход котловой воды):

, кДж / кг, (9.63)

где iПВ и iКВ - соответственно энтальпии воды, поступающей в котел и выходящей из него, кДж / кг; МВ - расход воды, кг / с.

Из (9.61) при известном значении можно определить расход топлива на КА ВТ:

, кг/с. (9.64)

Дополнительно вводится понятие КПД КА нетто . По определению:

= , %,(9.65)

где QСН = DПР • (iКВ - iПВ) - расход теплоты на собственные нужды, кДж / с (очевидно, что QСН = QПР).

Примечание:

1. Из (9.61), в частности, следует, что если конкретный КА работает вначале какое-то время с одним , затем после проведения на нем каких-то технических мероприятий с другим ? , а производительность его при этом не меняется, то расходы топлива для этих режимов относятся обратно пропорционально КПД:

.(9.66)

2. Рассмотрим случай, когда имеется реально работающий КА, и для него требуется составить тепловой баланс (9.57). При этом значения всех слагаемых, входящих в уравнение (9.57), определяются путем измерения соответствующих физических величин. Например, экспериментально определяются температура и расход топлива, температура и расход воздуха, температура и расход питательной воды, температура, расход и состав дымовых газов и т.д. Очевидно, что измерения этих величин выполняются с некоторой погрешностью.

В результате этого, если подставить значения экспериментально определенных слагаемых теплового баланса в уравнение (9.57), точного равенства не получится. Чтобы равенство выполнялось, вводится понятие - невязка теплового баланса ДQНЕВ, которая добавляется в правую часть уравнения теплового баланса (9.57). Фактически ДQНЕВ вычисляется как разность:

ДQНЕВ = - (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6), кДж / кг. (9.67)

Очевидно, что ДQНЕВ может иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Невязка теплового баланса может быть определена и в % по выражению:

. (9.68)

Библиографический список

1. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. / Под общ. ред. В.А. Григорьева. 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат. 1988. - 560 с.

2. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. - М.: Высшая школа. 1968. - 338 с.

3. Лавров Н.В. и др. Введение в теорию горения и газификации топлива. - М.: Издательство Академии Наук СССР. 1962. - 215 с.

4. Равич М.Б. Топливо и эффективность его использования. - М.: Наука. 1971. - 358 с.

5. Петров Я.П. и др. Общая теплотехника. - М.: Лесная промышленность. 1966. - 466 с.

6. Теплотехнический справочник. Под ред. Юренева В.П. Т.1. - М.: Энергия, 1975. - 744 с.

7. Теплотехнический справочник. Под ред. Юренева В.П. Т.2. - М.: Энергия, 1976. - 896 с.

8. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Кузнецова Н.В. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

9. Глинка Н.Л. Общая химия. - 24-е изд., испр./ Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1985. - 704 с.

10. Панкратов Г.П. Сборник задач по теплотехнике: Учеб. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп.. - М.: Высш. шк., 1995. - 238 с.

11. Ковалев А.П. и др. Парогенераторы: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 376 с.

12. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод)./ НПО ЦКТИ - СПб.: 1998.

13. Дмитроц В.А., Левин А.Б., Семенов Ю.П. Теплотехнический справочник инженера лесного и деревообрабатывающего предприятия /Под ред. А.Б. Левина/. 2-е изд., испр. - М.: МГУЛ, 2002. - 333 с.

14. Топливо твердое минеральное. Обозначение показателей качества и формулы пересчета результатов анализа для различных состояний топлива. ГОСТ 27313 - 95.

15. Топливо твердое минеральное. Методы определения зольности. ГОСТ 11022 - 95.

16. Топливо твердое минеральное. Методы определения влаги в аналитической пробе. ГОСТ Р 52917 - 2008.

17. Топливо твердое минеральное. Методы определения выхода летучих веществ. ГОСТ 6382 - 2001.

18. Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания. ГОСТ 147 - 95.

19. Иванова И.В., Дюкова И.Н., Смоляков А.Ф. и др. Сборник задач по технической термодинамике и теплообмену: Учебное пособие для студентов очной формы обучения. СПб.: СПбГЛТА, 2007. - 200 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Описание методики определения зольности топлив

(ГОСТ 11022 - 95)

Предварительно просушенный тигель взвешивают на аналитических весах. Затем наполняют его топливом в количестве 1 … 2 г. (при анализе древесных опилок, ввиду незначительной зольности, массу древесины желательно брать больше) и снова взвешивают.

Затем ставят тигель в разогретую муфельную печь на 1 … 2 ч. Температура при прокаливании навески топлива должна быть 800 ±25 оС, что контролируют термоэлектрическим термометром. Для древесного топлива температура при прокаливании должна быть 600 ± 25 оС.

Об окончании процесса окисления (сжигания) топлива судят по исчезновению искрения в тигле. После прокаливания тигель вынимают щипцами из муфельной печи и охлаждают, после чего взвешивают.

Проверку точности определения содержания золы в пробе топлива производят путем повторных прокаливаний в течение 20 … 30 мин до постоянной массы (пока изменение массы за время последнего прокаливания не будет менее 0,1 %).

Полученные данные позволяют определить количество золы (%) в топливе по уравнению:

где m2 - масса золы в тигле, г; m1 - масса сухого топлива в тигле до прокаливания, г.

Приложение 2

Описание методики определения влажности топлива

(ГОСТ Р 52917 - 2008)

В термостате просушивают стаканчик (бюкс) с крышкой и, охладив их до комнатной температуры, взвешивают пустым на аналитических весах.

Затем засыпают в бюкс 1 … 2 г топлива и снова взвешивают (при этом топливо должно быть предварительно измельчено.

Помещают открытый бюкс с топливом и крышку в нагретый термостат на 1 … 2 ч, чтобы влага могла удалиться из топлива. Во время высушивания топлива поддерживают температуру воздуха в термостате в пределах 102 …105 оС (если температура будет выше 110 оС, то из топлива начнут выделяться летучие горючие вещества, а при температуре ниже 100 оС из топлива не удалится гигроскопическая влага).

По окончании высушивания топлива бюкс прикрывают крышкой, вынимают из термостата и ставят в эксикатор, чтобы влага из воздуха не попадала в топливо, на 5 … 10 мин, чтобы бюкс с топливом остыли приблизительно до комнатной температуры, т.е. до температуры, при которой производилось первоначальное взвешивание.

После охлаждения бюкс вынимают из эксикатора и взвешивают.

Для проверки полного удаления влаги бюкс с топливом, открыв крышку, снова помещают в термостат на 15 … 20 мин и затем вторично охлаждают и взвешивают. Если после этого разница в массе не превышает 0,001 … 0,003 г на 1 г навески топлива, считается, что сушка проведена до постоянной массы.

Приложение 3

Описание методики определения выхода летучих и кокса

(ГОСТ 6382 - 2001)

Предварительно просушенный тигель с крышкой взвешивают на аналитических весах, а затем в тигель помещают брикетированное топливо массой 1 г и накрыв крышкой взвешивают, затем ставят в разогретую муфельную печь.

Нагревание навески топлива ведут при температуре 850 ±25 оС в течение 7 мин. Температуру в печи контролируют термоэлектрическим термометром.

По окончании прогревания тигель с топливом вынимают щипцами из печи и в закрытом виде охлаждают сначала в воздухе в течение 5 мин и окончательно в эксикаторе до комнатной температуры.

После охлаждения тигель с оставшимся в нем коксом взвешивают и определяют искомые величины.

При указанном режиме нагревания пробы топлива происходит удаление из него не только летучих горючих веществ, но и всей влаги топлива.

Выход летучих (%) относят к массе аналитической пробы топлива и определяют по выражению

где m1 - масса топлива до нагревания, г; m2 - масса кокса после нагревания, г; Дm - убыль массы топлива, г; Wa - относительная влажность аналитической пробы топлива, %.

Содержание кокса в топливе (%)

Ка = (100 - Va).

Выход летучих на условную горючую массу (%)

где Аа - содержание золы в аналитической пробе топлива, т.е. его сухой массе Аа = Ас, %.

Выход горючих летучих веществ на рабочую массу (%)

В конце опыта рекомендуется осторожно вынуть (высыпать) твердый остаток из тигля на бумагу и, осмотрев его, указать характер полученного кокса.

Приложение 4

Пересчет рабочего состава одного топлива при изменении его влажности проводится по формулам:

где начальная влажность топлива, %; конечная влажность топлива, %;

- элементарный рабочий состав при начальной влажности топлива, %;

- элементарный рабочий состав при конечной влажности топлива, %.

Приложение 5

Расчет рабочего состава топлива, состоящего из смеси двух твердых или жидких топлив, определяется по уравнениям:

.

где .- элементарный рабочий состав первого топлива, %;

.- элементарный рабочий состав второго топлива, %;

g1 - массовая доля первого топлива;

(1 - g1) - массовая доля второго топлива.

Приложение 6

Пример расчета состава рабочей массы

З а д а ч а.

Определить состав рабочей массы Донецкого угля марки Д, сжигаемого в котельной установке леспромхоза, если состав его горючей массы: СГ = 75,6 %; НГ = 5,5 %; = 4,6 %; NГ = 1,5 %; ОГ = 12,8 %; зольность сухой массы АС = 25,0 % и влажность рабочая WР = 13,0 %.

Р е ш е н и е: Пользуясь коэффициентами пересчета (табл. 1.2), определяем зольность рабочей массы топлива

АР = АС · = 25,0 · = 21,75 %.

и находим состав рабочей массы топлива:

СР = СГ · = 75,6 · = 49,33 %;

НР = НГ · = 5,5 · = 3,59 %;

= · = 4,6 · = 3,0 %;

NР = N Г · = 1,5 · = 0,98 %;

ОР = ОГ · = 12,8 · = 8,35 %.

Для проверки точности вычислений найдем сумму составляющих элементов сухой массы топлива по уравнению (1.4):

CР + HР + OР + + NР + АР + WР =

= 49,33 + 3,59 + 3,0 + 0,98 + 8,35 + 21,75 + 13 = 100 %.

Приложение 7

Влагосодержание щ (г / нм3 сух. газа) при различных температурах

t	щ	t	щ
0	4,9	26	27,6
1	5,2	27	29,3
2	5,6	28	31,1
3	6,1	29	33,1
4	6,5	30	35,1
5	7,0	31	37,3
6	7,5	32	39,6
7	8,0	33	42,0
8	8,6	34	44,5
9	9,2	35	47,3
10	9,9	36	50,1
11	10,5	37	53,1
12	11,3	38	56,2
13	12,1	39	59,6
14	12,9	40	63,1
15	13,8	41	66,8
16	14,7	42	70,8
17	15,7	43	74,9
18	16,7	44	79,3
19	17,8	45	84,0
20	19,0	46	88,8
21	20,2	47	93,0
22	21,5	48	99,5
23	22,9	49	105,0
24	24,4	50	111,0
25	26,0	55	148,0

Приложение 8

Пример расчета рабочего состава природного газа

З а д а ч а. Природный газ Саратовского месторождения.

Состав сухого газа, %

СН	С2Н	С3Н	С4Н	С5Н	СО	N	Сумма, %
94,0	1,2	0,7	0,4	0,2	0,2	3,3	100,0

Принимаем содержание влаги в газе 1,0 %. Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ по формуле (3.7):

= 94,0 · 0,99 = 93,0 %;

= 1,2 · 0,99 = 1,188 ? 1,2 %;

= 0,7 · 0,99 = 0,69 ? 0,7 %;

= 0,4 · 0,99 = 0,396 ? 0,4 %;

= 0,2 · 0,99 = 0,198 ? 0,2 %;

= 0,2 · 0,99 = 0,198 ? 0,2 %;

= 3,3 · 0,99 = 3,267 ? 3,3 %;

Состав влажного рабочего газа *, %

СН	С2Н	С3Н	С4Н	С5Н	СО	N	Н2ОВЛ	Сумма, %
93,0	1,2	0,7	0,4	0,2	0,2	3,3	1,0	100,0

Приложение 9

Методика определения теплоты сгорания твердого и газообразного топлива (ГОСТ 147 - 95)

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально путем сжигания отобранного топлива в особом приборе, носящим название калориметрической бомбы. Калориметрическая бомба представляет собой стальной сосуд, плотно закрываемый и способный выдержать давление 10 МПа. В этом сосуде сжигается в атмосфере кислорода при давлении 3 МПа брикетик спрессованного топлива массой примерно 1 г. Подсчет выделенного при этом тепла проводится по нагреву воды в калориметре, в который погружена бомба.

Приложение 10

Пример составления теплового баланса КА

З а д а ч а.

Составить тепловой баланс котельного агрегата, если имеются следующие данные о его работе.

Топливо - Донецкий каменный уголь марки Г. Состав рабочей массы: СР = 55,2 %; НР = 3,8 %; NР = 1,0 %; ОР = 5,8 %; = 3,2 %; АР = 23 %; WР = 8,0 %.

Паропроизводительность котельного агрегата DПП = 35 кг / с. Расход топлива ВТ = 5 кг / с.

Температура топлива на входе в топку tТ = 16 0С. Температура воздуха в котельной, который подается в топку tВ = 30 0С. Давление перегретого пара рПП = 2,8 МПа, температура перегретого пара tПП = 420 оС, температура питательной воды tПВ = 180 оС, величина непрерывной продувки Р = 3,5 %, температура уходящих газов на выходе из последнего газохода tДГ = 200 оС. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,4; за газоходами 1,55.

Теплоемкость: воды - 4,19 кДж/(кг · К); средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении сґрm В = 1,297 кДж/ (м3 • К); средняя объемная теплоемкость уходящих газов при постоянном давлении сґрm ДГ = 1,415 кДж / (м3 • К).

Содержание в уходящих газах: оксида углерода СО = 0,16 % и трехатомных газов RО2 = 12 %.

Доля золы: в шлаке aПР+ШЛ = 81 %, в уносе aУН = 19 %. Содержание горючих: в шлаке ГПР+ШЛ = 20 %, в уносе ГУН = 10 %.Температура шлака tШЛ = 590 оС, теплоемкость шлака сШЛ = 0,934 кДж / (кг · К).

Р е ш е н и е:

Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого топлива применительно к установившемуся тепловому режиму котельного агрегата. Уравнение теплового баланса по (9.57) имеет вид:

= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6, кДж / кг,

или в процентах от располагаемой теплоты топлива (9.58):

q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = 100%,

где - располагаемая теплота; Q1 - теплота, полезно использованная в котлоагрегате на получение пара; Q2 - потери теплоты с уходящими газами; Q3 - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива; Q4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива; Q5 - потери теплоты в окружающую среду; Q6 - потери теплоты с физической теплотой шлака.

Следует отметить, что реальные данные о работе КА получаются путем проведения прямых и косвенных измерений соответствующих величин. Соответственно всегда эти величины определяются с некоторой погрешностью. Это, в свою очередь, приводит к появлению невязки теплового баланса, которая рассчитывается по формуле (9.67):

ДQНЕВ = - (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6), кДж / кг.

Располагаемая теплота на 1 кг топлива определяется по формуле (9.15):

= + QТ + QВ, кДж / кг,

где - низшая теплота сгорания рабочей массы твердого топлива,

кДж / кг;

QТ - физическая теплота топлива, т.е. теплота, затраченная на

нагрев 1 кг топлива в устройствах, не входящих в состав КА,

кДж / кг;

QВ - теплота, вносимая воздухом, кДж / кг.

Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива определяется по выражению (4.4):

= 338 · CР + 1025 · HР - 108,5 · (OР - ) - 25 · WР, кДж / кг,

где CР, HР, OР, , WР - содержание элементов в рабочей массе топлива, %.

Тогда = 338 · 55,2 + 1025 · 3,8 - 108,5 · (5,8 - 3,2) - 25 · 8 =

= 22070,5 кДж / кг.

Физическая теплота топлива по формуле (9.10):

QТ = · (tT - 0) = · tT,

где - теплоемкость рабочей массы топлива, кДж / (кг • К); tТ - температура топлива на входе в топку, оС.

Теплоемкость рабочей массы топлива рассчитывается как теплоемкость смеси сухого топлива и содержащейся в нем влаги:

, кДж / (кг • К),

где , - теплоемкости сухой массы твердого топлива и воды соответственно, кДж / (кг • К);

WР - влажность рабочей массы топлива, %.

Теплоемкости сухой массы топлива, в зависимости от типа топлива приведены в приложении 11. Так как по условию задачи топливо - каменный угль, то = 0,962 кДж/(кг • К).

= 1,22 кДж / (кг • К).

Тогда QТ = · tТ = 1,22 · 16 = 19,52 кДж / кг.

В условии задачи не оговаривается, что воздух предварительно нагрет в устройствах, не входящих в КА, тогда в формуле (9.14) QВ = 0, так как tВ = tХВ.

Таким образом, величина располагаемой теплоты рассчитывается по (9.15):

= + QТ + QВ = 22070,5 + 19,52 + 0 = 22090,02 ? 22090 кДж / кг.

Теплота, полезно использованная в котельном агрегате рассчитывается по (9.62), т.к. отсутствует отбор насыщенного пара (т.е. DНП = 0):

, кДж / кг,

где DПП - расход перегретого пара, кг / с; ВТ - расход натурального топлива, кг / с; iПП, iПВ, iКВ - соответственно энтальпия перегретого пара, питательной и котловой воды, кДж / кг; Р - коэффициент непрерывной продувки, %.

Энтальпию перегретого пара находим по is-диаграмме при давлении перегретого пара рПП = 2,8 МПа и температуре перегретого пара tПП = 420 оС: iПП = 3280 кДж / кг (или по таблицам перегретого пара [19]);

* энтальпию питательной воды находим по таблице насыщенного пара и воды [19] при температуре питательной воды tПВ = 180 оС: iПВ = i ' = 763,1 кДж / кг;

* энтальпию котловой воды находим по таблице насыщенного пара и воды [19] по давлению в котельном агрегате, т.е. при давлении перегретого пара рПП = 2,8 МПа: iКВ = i ' = 990,4 кДж / кг.

= 17681,94 кДж / кг.

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива по (9.39):

1680,19 кДж / кг ? 1680 кДж / кг.

= 7,6 %.

, откуда = 0,92.

Это значение будет использовано в дальнейших расчетах.

Потери теплоты с уходящими газами по (9.44) или (9.45):

, кДж / кг,

где VГ - объем уходящих газов на выходе из последнего газохода котлоагрегата, нм3 / кг;

сґрm ДГ - средняя объемная теплоемкость уходящих газов при постоянном давлении, определяемая по tДГ, кДж / (нм3 • К);

tДГ - температура уходящих газов на выходе из последнего газохода, оС;

- действительный объем воздуха, нм3 / кг;

сґрm В - средняя объемная теплоемкость воздуха, кДж / (нм3 • К);

tХВ - начальная температура холодного воздуха, оС, принимается в расчете tХВ = 30 оС [8].

Потери теплоты за счет золы в составе дымовых газов пренебрежительно малы, поэтому в расчете слагаемое не учитывается.

Теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг твердого топлива, определяется по выражению (6.14):

VО = 0,089 · СР + 0,226 · НР + 0,033 · (- ОР), нм3 / кг,

где СР, НР, , ОР - содержание элементов топлива в % на 1 кг рабочей массы топлива, %.

VО = 0,089 · 55,2 + 0,226 · 3,8 + 0,033 · (3,2 - 5,8) = 5,69 нм3 / кг.

Определение объема продуктов сгорания Ї это сумма объемов сухих газов и водяных паров по (6.31):

VГ = VСГ + , нм3 / кг.

Объем трехатомных газов согласно (6.43):

=

= 1,052 (нм3 / кг).

Теоретический объем азота (при б = 1) по формуле (6.52):

=

= 4,503 (нм3 / кг).

Действительный объем двухатомных газов, включая избыточный кислород по формуле (6.55):

= (б - 1) · VО + = (1,55 - 1) · 5,69 + 4,503 = 7,633 (нм3 / кг).

Действительный объем водяных паров по формуле (6.59):

= =

= 0,0124 · (9 · 3,8 + 8) + 0,0161 · 1,55 · 5,69 = 0,665 (нм3 / кг).

Тогда действительный объем продуктов сгорания:

VГ = VСГ + = + + = 1,052 + 7,633 + 0,665 =

= 9,35 нм3 / кг.

Действительный объем воздуха определяем из выражения (6.3):

= б · VO, нм3 / кг,

где б - коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом; VО - теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг топлива, нм3 / кг (определен по (6.14)).

Таким образом, = 1,55 · 5,69 = 8,82 нм3 / кг.

=(9,35 · 1,415 · 200 + 0 - 8,82 · 1,297 · 30)Ч0,92=2118,85?2119 кДж / кг.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива определяются содержанием в продуктах горения СО по (9.53):

Q3 = , кДж / кг,

где CР и - содержание углерода и серы в топливе, %; СО - содержание оксида углерода в уходящих газах, %; RO2 = СО2 + SО2 - содержание трехатомных газов в уходящих продуктах сгорания, %.

Q3 = = 175,80 ? 176 кДж / кг.

Потери теплоты в окружающую среду определяются с помощью графика зависимости потери теплоты в окружающую среду от производительности котла, рис. 9.3. При производительности котла D = 35 кг / с определяем q5 = 0,62 %, откуда по (9.58):

= 136,96 ? 137 кДж / кг.

Потери с физической теплотой шлака по (9.56):

= = 103,65 ? 103 кДж / кг.

Составляющие теплового баланса:

q1 = = (17682 / 22090) · 100 = 80,05 %;

q2 = = (2119 / 22090) · 100 = 9,59 %;

q3 = = (176 / 22090) · 100 = 0,77 %;

q4 = = (1680 / 22090) · 100 = 7,61 %;

q5 == (137 / 22090) · 100 = 0,62 %;

q6 = = (103 / 22090) · 100 = 0,47 %.

Величина невязки определяется по формуле (9.67):

ДQНЕВ = - (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6) = 22090 - (17682 +

+ 2119 + 176 + 1680 + 144 + 103) = 22090 - 21904 = 858,86 кДж / кг.

При этом невязка теплового баланса может быть определена и в % по выражению (9.68):

= = 0,84 %.

Тепловой баланс в % от располагаемой теплоты топлива для этого случая будет иметь вид:

100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 + ДqНЕВ =

= 80,05 + 9,59+ 0,77 + 7,61 + 0,65 + 0,47 + 0,84 = 100 %.

Приложение 11

Теплоемкость сухой массы твердого топлива, кДж / (кг · К)

антрацит	каменный уголь	бурый уголь	торф	сланцы
0,921	0,962	1,088	1,297	1,046

Размещено на Allbest.ru