Тепловой баланс котла

1.

Белорусский национальный технический университет
Кафедра ЮНЕСКО “Энергосбережение и
возобновляемые источники энергии”
Топливо и его
использование
Лекция 5.
Тепловой баланс котла

2.

Лекция 5
В топочном устройстве котла химическая
энергия топлива в процессе горения
преобразуется в энтальпию нагретых продуктов
сгорания (дымовых газов), от которых передаётся
пароводяному теплоносителю путём теплоотдачи к
поверхностям нагрева и частично теряется.
Эффективность использования топлива в
котельном агрегате определяется в основном
двумя факторами:
полнотой процесса сгорания топлива
и глубиной охлаждения продуктов
сгорания.

3.

Лекция 5
Бóльшая часть располагаемой теплоты,
вносимой в котельный агрегат (теплота сгорания
топлива, физическая теплота топлива, воздуха,
иногда – пара), воспринимается поверхностями
нагрева и передается нагреваемому рабочему телу
(вода, пар).
Это – полезно использованная теплота Q1
(кДж/кг), за счет которой производятся:
в водогрейном котле
подогрев
сетевой воды от t х.в. до t г.в.
в паровом котле
подогрев питательной воды до т-ры насыщения,
испарение воды
и перегрев пара до t пп .

4.

Лекция 5
Остальная часть располагаемой теплоты (от
5–7 % в мощных котлоагрегатах до 15–20 % в котлах
малой мощности) теряется вследствие потерь
тепла, сопутствующих работе котельного агрегата.
Распределение вносимого в котельный агрегат
тепла на полезно используемое и отдельные потери
описывется уравнением теплового баланса
котельного агрегата.
В общем виде уравнение теплового баланса при
установившемся режиме работы записывается
следующим образом
Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q 6
p
p

5.

Лекция 5
Qрр – располагаемое (подводимое) тепло на 1 кг
рабочего твердого/жидкого топлива , кДж/кг (или на 1
м3 сухого газообразного топлива, кДж/м3)
Q1 – полезно использованное тепло, кДж/кг (кДж/м3)
Q2 - потери тепла с уходящими газами, кДж/кг (кДж/м3)
Q3 – потери тепла от химической неполноты сгорания
топлива, кДж/кг
Q4 – потери тепла от механической неполноты
сгорания топлива, кДж/кг
Q5 – потери тепла от наружного охлаждения
котельного агрегата, кДж/кг (кДж/м3)
Q6 – потери с физическим теплом шлаков, кДж/кг.

6.

Лекция 5
Уравнение теплового баланса обычно
относится к величине располагаемого тепла
(нормируется на Qрр ) и выражается в процентах
q1+ q2+q3+q4+q5+q6= 100%
или долях:
q1+ q2+q3+q4+q5+q6= 1
Отношение полезно использованного тепла Q1
к располагаемому Qрр представляет собой
коэффициент полезного действия (КПД)
брутто котельного агрегата
Q
к q1
Q
1
р
р
100%

7.

Лекция 5
КПД к.а. брутто не учитывает затраты
энергии на собственные нужды (с.н.) котельного
агрегата (эл.энергия на привод насосов,
вентиляторов, дымососов, размол топлива; тепловая
энергия на паровую обдувку поверхностей нагрева и
с продувочной водой (на продувку).
Коэффициент полезного действия котельного
агрегата с учетом расхода электроэнергии и тепла
на с.н. называют КПД к.а. нетто:
к qс.н.
н
к

8. Непрерывная продувка

Лекция 5
Для предотвращения накопления растворимых
солей (в основном натриевых) и шлама в котловой
воде из циркуляционного контура непрерывно
отводится (продувается) часть воды.
Величина непрерывной продувки, которая
зависит от чистоты питательной воды и допустимой
концентрации солей в циркуляционном контуре,
составляет обычно 0.5–2.0 % от паровой
производительности котла (Dп).
Шлам – твердая накипь (в основном СаСО3, может
быть MgSiO3 и другие соединения магния, Mg(OH)2
– прикипающий шлам).
Обдувка – удаление золы с поверхностей нагрева
струёй пара.

9.

Лекция 5по
КПД котла брутто может быть рассчитан
обратному балансу путём вычитания суммарных
тепловых потерь из располагаемой теплоты (в
относительном виде)
к 100 (q2 q3 q4 q5 q6 ),%
Расчёт КПД котла брутто по прямому
балансу требует непосредственного измерения
всех величин, характеризующих как подводимое
(располагаемое) Qрр, так и полезно используемое Q1
тепло в котельном агрегате.
Q1
к p 100 %,
Qp

10.

Лекция 5
Располагаемая теплота Qрр котельного
агрегата может быть представлена следующим
уравнением:
Qрр = Qнр +Q в.внеш+ Q тл +Q ф - Qкарб
(кДж/кг или кДж/м3)
Qрн - низшая теплота сгорания твердого или
жидкого, кДж/кг, и кДж/м3 сухой массы газового
топлива,
Q в.внеш - теплота, вносимая в топку воздухом,
подогретым вне котла до входа в
воздухоподогреватель, кДж/кг или кДж/м3,

11.

Лекция 5
При сжигании высокосернистых мазутов, углей
воздух предварительно подогревают вне котла –
например, в калориферах
Qв. внеш. [ H H
0
в
0
х.в.
] V C рв tв
0
(кДж/кг, кДж/м3)
α – коэффициент избытка воздуха.
H в0 , H х0. в.– энтальпия теоретически необходимого
количества воздуха на входе в котельный агрегат
(до в/п) и холодного воздуха.
C рв – средняя объемная изобарная теплоемкость
воздуха, кДж/(м3К)

12.

5
Лекция 5
Теплота, получаемая воздухом
в воздухоподогревателе котла,
в располагаемую теплоту не
включается, поскольку подогрев
воздуха здесь производится
продуктами сгорания топлива.
Температура уходящих газов в
балансе тепла принимается за
воздухоподогревателем , т.е.
энергия газов, затраченная на
нагрев воздуха, уже исключена
из потерь.
15 – воздухоподогреватель (2ступенчатый) для подогрева воздуха за
счёт охлаждения дымовых газов

13.

Лекция 5
Qтл – физическая теплота (энтальпия) топлива,
кДж/кг
или кДж/м3,
Qф - теплота, вносимая паром, используемым для
распыливания мазута, кДж/кг,
Qкарб = 40.6 СО2к – теплота (кДж/кг), расходуемая
на разложение карбонатов при сжигании сланцев
(СО2к – содержание диоксида углерода,
образующегося при разложении карбонатов, %).

14.

Физическая теплота топлива Лекция 5
Qтл с t
р
тл тл
с
(кДж/кг или кДж/м3)
р
– теплоемкость рабочей массы топлива,
р ,тл
кДж/(К.кг) или кДж/(К.м3)
tтл
– температура топлива, оС
твердое: 20 оС (летом) и 0 оС (зимой)
мазут: 90-140 оС в зависимости от вязкости
природный газ: 20 оС
Теплоемкость мазута (раб. масса)
с
р
р , тл
1.74 0.0025 tтл
Теплоемкость прир.газа (сухая масса)
с
р
р ,тл
= 1,6 кДж/(К.м3)

15.

Лекция 5
с
р
р ,тл
с
с
с
р ,тл
c
р , тл
100 W
W
с р ,H 2O
100
100
p
p
для антрацита
каменных углей
бурых углей
фрезерного торфа
сланцев
, кДж/(кг·К)
0.981
0.962
1.088
1.297
1.04
Теплоемкость сухой древесины
с
с
р ,тл
0.1031 0.0039 (tтл 273)

16.

Лекция 5
Количество теплоты, вносимое с паром,
используемым для распыливания мазута
Q ф Gф (h пара 2500)
, кДж/кг,
Gф
– удельный расход пара на форсунку, который
обычно принимается равным 0.03–0.05 кг/кг (при
номинальной нагрузке котла) и имеет давление
0.3–0.6 МПа и температуру 280–350 оС.
h пара
– энтальпия пара, кДж/кг.
2500 кДж/кг – условно принимаемая энтальпия пара,
содержащегося в уходящих газах.

17.

Лекцияв
4
Полезное тепловосприятие рабочей среды
паровом котле
Qк Dп (hпп hпв ) Dпром (h
вых
пром
h
вх
пром
) Dпр (h ' hп.в ),
[кДж/с = кВт]
Dп , Dпром , Dпр – паропроизводительность котла,
расход пара на промежуточный перегрев и расход
котловой воды на продувку, кг/с;
hпп , h ', hп. в
– энтальпии перегретого пара, воды в
состоянии насыщения и питательной воды, кДж/кг;
вых
пром
h
вх
пром
, h
– энтальпии пара на выходе и входе в
промежуточный пароперегреватель, кДж/кг.

18.

Лекцияв
4
Полезное тепловосприятие рабочей среды
водогрейном котле
Qк Gв (hг.в hх.в )
,
кДж/с = кВт
Gв – расход воды через водогрейный котёл, кг/с
hх . в , hг . в
– энтальпии холодной и горячей воды
(на входе и выходе водогрейного котла), кДж/кг
hх.в с рt , hг.в с рt
х .в
г .в

19. РАСХОД ТОПЛИВА НА КОТЁЛ

Qк
B
,
р
кQр
Лекция 5
кВт
кг
=
кДж/кг с
где КПД котла брутто по обратному балансу
к 100 (q2 q3 q4 q5 q6 ),%

20.

Лекция 5
Расчетный расход твёрдого топлива
Вследствие механической неполноты сгорания не
все топливо, поступающее в топку, полностью сгорает, что
приводит к уменьшению количества газов – продуктов
сгорания.
Так как расчётные объёмы и энтальпии продуктов
сгорания отнесены к 1 кг рабочего топлива, то для учета
механического недожога условно полагают, что в топку
поступает несколько меньшее количество топлива,
т.е. тепловой расчет производят по расчетному расходу
топлива
q4
B p B(1
).
100
(Влиянием химической неполноты сгорания пренебрегают).

21. Потери теплоты с уходящими газами

Лекция 4
Потери теплоты с уходящими газами
В тепловом балансе котельного агрегата наибольшей
является потеря теплоты с уходящими газами q2,
составляющая 4–8 % располагаемого тепла.
Относительная потеря теплоты с уходящими газами
Q2
q2 р 100,%
Qр
абсолютная
Q 2 =( H г ух H
0
х .в .
)(100 q4 ),
кДж/кг или кДж/м3
Т.к. воздух, поступающий в котлоагрегат, вносит в топку
свою физическую теплоту, потерю тепла с уходящими газами
определяют по разности энтальпий продуктов сгорания и
холодного воздуха за котлом (30 оС).

22.

Лекция 5
0
х .в .
– энтальпия действительного
объёма уходящих газов и теоретического объёма
холодного воздуха, кДж/кг или кДж/м3.
H г, H
ух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.
ух т присосов
Так как теплоемкости основных компонентов дымовых
газов различны, то их энтальпии при температуре оС
подсчитываются отдельно
H г ,i Vi Ci

23.

24.

Сзл – удельная (массовая) теплоёмкость золы, кДж/(кг.К)

25.

Средняя объемная изобарная теплоемкость
Лекция 4
воздуха и продуктов полного сгорания кДж/(м3К)
t,oC
CCO2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1,603
1,704
1,791
1,867
1,934
1,993
2,046
2,094
2,136
2,175
2,209
CN 2
1,293
1,296
1,299
1,308
1,316
1,328
1,34
1,354
1,367
1,379
1,392
CO2
CH 2O
1,306
1,217
1,335
1,356
1,377
1,398
1,417
1,434
1,45
1,465
1,478
1,494
1,505
1,521
1,541
1,577
1,588
1,614
1,639
1,666
1,693
1,721
C воздуха
сухого влажного
1,297
1,319
1,300
1,324
1,307
1,332
1,316
1,342
1,328
1,355
1,341
1,368
1,355
1,383
1,369
1,397
1,383
1,411
1,396
1,425
1,408
1,437

26.

Энтальпия действительного объёма продуктов
Лекция 5
сгорания
H г H ( ух 1) H в H VH O H золы
0
г
0
2
(кДж/кг или кДж/м3).
Энтальпия теоретического объема газов при
температуре оС
H (VRO 2 CRO2 V C N 2 V H O CH 2O )
0
г
CRO2 , CN2 , CH 2O , Cв
0
N2
0
2
(кДж/м3К) – объёмные
теплоемкости при постоянном давлении трехатомных газов
(СО2), азота, водяных паров, воздуха при данной температуре
(оС).

27.

Лекция 5
Энтальпия теоретически необходимого воздуха
H V Cв
0
в
0
в
кДж/кг или кДж/м3.
Энтальпия дополнительного объема водяных
паров в избыточном воздухе
H VH O 0.0161( 1)Vв СH 2O
0
кДж/кг или кДж/м3
2
Величина H VH2O мала даже для высококалорийных
топлив, и ею обычно пренебрегают.

28.

Лекция 5
Энтальпия золы
p
H золы
a ун
A
a ун
с3
100
кДж/кг
– доля золы, уносимой газами из топки.
Энтальпия летучей золы невелика по сравнению с
другими составляющими энтальпии газов. Поэтому
ее следует учитывать лишь в том случае, когда
приведённая величина уноса золы
о кг
А
п
р
о
а ун А а ун р 1.4
, [Qн ] МДж / кг
Qн
МДж
р

29.

Лекция 5
Реальные объемы дымовых газов меньше
расчетных вследствие механической неполноты
сгорания топлива. Поэтому разность энтальпий
продуктов сгорания и холодного воздуха
уменьшается на величину q4.
С повышением температуры уходящих газов
потери тепла увеличиваются. При росте
температуры уходящих газов на 12-16 0С q2
повышаются примерно на 1 %. Поэтому
желательно иметь возможно более низкую
температуру дымовых газов, покидающих
котельный агрегат.

30.

Лекция 5
Однако глубокое охлаждение газов требует
увеличения конвективных поверхностей нагрева и
гидравлического сопротивления газоходов.
Оптимальные значения температуры уходящих
газов для различных топлив устанавливаются на
основании технико-экономических расчетов,
сравнивающих стоимость дополнительных
поверхностей нагрева и увеличение затрат на
собственные нужды котельных агрегатов с
получаемой экономией топлива.
Обычно для больших энергетических котлов
температура уходящих газов 110-150 0 С.

31.

Лекция 5
Wп
W p % кг
,
p
Qн МДж

32. Ограничения температуры уходящих газов снизу

Лекция
4
Ограничения температуры уходящих газов
снизу

33.

Помимо температуры, большое влияние Лекция
на 5
величину потери тепла с уходящими газами
оказывает объем дымовых газов, покидающих
котельный агрегат.
Увеличение коэффициента избытка воздуха в
топке, а также присосы холодного воздуха
обусловливают повышение объема уходящих
газов, удаляемых в атмосферу, и их энтальпии. В
результате потери тепла с уходящими газами
увеличиваются.
При этом несколько интенсифицируется
конвективный теплообмен и возрастает
гидродинамическое сопротивление в газоходах
котла.

34. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива q3

Лекция 5
Потери теплоты от химической
неполноты сгорания топлива q3
Процесс сжигания топлива не всегда
идет полностью до образования
продуктов полного сгорания: СО2, SО2 и
Н2О.
Иногда в дымовых газах содержатся
и продукты неполного горения: СО, Н2,
СН4, тяжелые углеводороды СmНn.

35.

Лекция 5
VCO
СО
100,%
Vс.г .
RO2 – концентрация трёхатомных газов в сухих
газах (об.%);
VRO 2
RO2
100,%
Vс.г .

36.

Теплота, которая осталась химически связанной вЛекция 5
газообразных продуктах неполного окисления смеси,
содержащихся в дымовых газах, не используется в котельном
агрегате и составляет потерю от химической неполноты
сгорания (хим. недожога)
Q
q3
Q
3
р
р
100,%
При содержании в продуктах сгорания только СО
Q3
237(C p 0.375Sорр к )СО
RO2 CO
(кДж/кг ).
где СО, RO2 – измеренные газоанализатором концентрации
оксида углерода и трехатомных газов в сухих газах (об.%).
В КП можно использовать паспортное значение
максимальной концентрации выбросов СО для выбранного
котла. При этом вместо измеренных (RO2+CO) можно взять
значение RO2, рассчитанное для условий полного горения.

37.

Объем сухих газов для твердых и жидких топлив
Vс.г .
1.866(C р 0.375S р OP K )
, м3/кг
RO2 CO СН 4
и для газообразных топлив (индекс "т" – компоненты топлива)
Vс.г .
СO2 т CO т mСm Н n т
СO2 CO СН 4
, м 3/ м 3
В общем случае потерю теплоты от химического
недожога рассчитывают на основании данных полного
газового анализа продуктов сгорания
q4 , кДж/кг
Q3 Vс. г. (126.45 CO 108 H 2 358 CH 4 )(1
)
100
CO, H 2 , CH 4 – концентрации продуктов неполного сгорания в
сухих газах (об.%)
В камерных топках при сжигании всех видов топлив
величина q3 обычно не превышает 0.5%.

38. Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива q4

Лекция 5
Потери теплоты от механической
неполноты сгорания топлива q4
Теплота сгорания углерода, содержащегося в твердых
частицах топлива, унесённых дымовыми газами или
удаленных из топки вместе со шлаком и провалом, не
используется в котельном агрегате и составляет потерю
от механической неполноты сгорания топлива.
Механическая неполнота сгорания сопутствует
сжиганию также жидких и газообразных топлив. Тяжелые
углеводороды, содержащиеся в них, подвергаясь
разложению, выделяют значительные количества
свободного углерода в виде сажи.
Особенно сильное сажеобразование наблюдается при
горении вязких мазутов.
Сажеобразование при сжигании твёрдых топлив
иногда относят к потерям от химического недожога q3.

39.

Лекция 5

40.

q4 ( aшл пр
Г шл пр
100 Г шл пр
Г ун
Лекция 5
р
327 А
а ун
)
100 Г ун Q рр
Гшл+пр , Г ун – содержание горючих в (шлаке + провале) и
уносе, %; aшл+пр , аун , %.
32700 кДж/кг – теплота сгорания горючих (углерода) в
шлаке, провале и уносе; 327 = 32700/100 (перевод
аун из % в доли единицы).
aшл+пр и
Для определения доли золы топлива в уносе и
содержания в них горючих соединений отбирают пробы
летучей золы из дымовых газов.
При сжигании твердых топлив в камерных топках
величина q4 находится в пределах 0.5—5 %.
Механический недожог жидких и газообразных топлив
существенно меньше 0.5% и в расчетах обычно не
учитывается.

41.

42.

q3 и q4 для котлов малой мощности
Вид топок и котлов
С неподвижной решеткой и ручным
забросом топлива
Топки с пневмомеханическим
забрасывателем и цепной решеткой
прямого хода
Топки с пневмомеханическими
забрасывателями и цепной решеткой
обратного хода
Топки с пневмомеханическими
забрасывателями и неподвижной
решеткой
Топливо
Бурые угли
Каменные угли
Антрациты AM и АС
Угли типа кузнецких
Угли типа донецкого
Бурые угли
Каменные угли
Бурые угли
Донецкий антрацит
Бурые угли типа
подмосковных,
бородинских
Угли типа кузнецких
Шахтные топки с наклонной решеткой Дрова, дробленые
отходы, опилки, торф
кусковой
Топки скоростного горения
Дрова, щепа, опилки
q3, %
2,0
2,0
1,0
0,5-1,0
0,5-1,0
0,5-1,0
0,5-1,0
0,5-1,0
q4, %
8,0
7,0
10,0
5,5/3
6/3,5
5,5/4
5,5/3
6,5/4,5
0,5-1,0 13,5/10
0,5-1,0 9/7,5
0,5-1,0
0,5-1,0
2
6/3
5,5/3
2
1
4/2

43.

q3 и q4 для паровых котлов большой мощности

44. Потери теплоты от наружного охлаждения котельного агрегата

Лекция 4
Потери теплоты от наружного охлаждения
котельного агрегата
Наружные поверхности топки и газоходов, опускные и
пароотводящие трубы экранов, коллекторы экранов,
пароперегревателей и водяных экономайзеров, барабаны,
трубопроводы, воздухопроводы и газопроводы при работе
котельного агрегата всегда имеют температуру, более
высокую, чем окружающая среда.
За счет конвекции (и частично излучения) происходят
потери тепла этими поверхностями в окружающую среду (q5).
Они зависят от размера и температуры его наружной
поверхности, качества обмуровки и тепловой изоляции, а
также от температуры окружающего воздуха.
Для котла паропроизводительностью 900 т/час потери q5
составляют около 0.2% и уменьшаются с ростом мощности
котла.

45.

Лекция5

46.

Лекция 5
q 5 ,%
Потери тепла от наружного охлаждения в
паровых котлах с хвостовыми
поверхностями
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
200
400
Паропроизводительность котла, D,т/час
600

47.

Лекция 5
Потери тепла от наружного охлаждения в
паровых котлах без хвостовых
поверхностей
q 5, %
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
Паропроизводительность котла, D, т/час
8

48.

Лекция5

49.

Потери от наружного охлаждения в водогрейных котлах
Лекция 5
Потери от наружного охлаждения в водогрейных котлах
12
12
q 5, %
q 5, %
6
без экономайзера
с экономайзером
8
10
8
с экономайзером
10
без экономайзера
6
4
4
2
2
0
0
0
0
5000
10000
15000
20000
производительность,
Q, МДж/час
5000Тепловая
10000
15000
20000
25000
Тепловая производительность, Q, МДж/час
1 кВт = 3,6 МДж/ч
25000

50.

Лекция 5
При определении количества теплоты,
переданного продуктами сгорания поверхностям
нагрева, учет потери тепла от наружного охлаждения
производят путем введения коэффициента
сохранения тепла
q5
1
100

51. Потеря с физической теплотой шлака

Лекция 4
Потеря с физической теплотой шлака
p
A aшл Сшлtшл
q6
, aшл 1 a ун
p
Qp
Сшл, t шл – теплоемкость и температура (оС) шлака.
В пылеугольных котлах с сухим шлакоудалением
температура шлака невелика (600–700 оС), и величина q6
учитывается только для топлив с приведённой зольностью
р
о кг
А
п
р
о
А р 2,5
, [ Qн ] МДж / кг
Qн
МДж
В топках с жидким шлакоудалением потери тепла с
физическим теплом шлаков могут достигать нескольких
процентов, так как температура жидкого шлака велика (до
1300–1600 оС)