Что такое механический недожог топлива

Потери тепла при сжигании топлива

Потери тепла при сжигании топлива

Потери энергии при сжигании топлива

Сжигание или горение представляет собой сложную последовательность экзотермических химических реакций между топливом и окислителем, происходящих с выделением тепловой и световой или только тепловой энергии, и сопровождающихся свечением или пламенем. Тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, передается рабочему телу. Потери энергии, имеющие место при сжигании, могут осуществляться различными способами. В случае полного сгорания все горючие вещества, содержащиеся в топливе, вступают в реакцию с окислителем с образованием соединений – продуктов сгорания. На практике сгорание никогда не бывает полным. Так, при сжигании углерода (угля) или его соединений (углеводородов, древесины и т. д.) в отходящих газах присутствует как элементарный углерод (сажа), так и продукты неполного сгорания (CO и др.). Кроме того, при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха часть азота окисляется с образованием различных оксидов азота (NOx), способных оказывать воздействие на окружающую среду.

Тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, передается рабочему телу. Потери энергии, имеющие место при сжигании, могут быть классифицированы следующим образом:

• потери с отходящими газами. Уровень этих потерь зависит от температуры отходящих газов, состава используемого топлива и воздуха (окислителя), а также степени зашлакованности поверхностей нагрева;

• потери, связанные с неполным сгоранием, в результате которого часть химической энергии топлива не преобразуется в тепловую энергию. Неполное сгорание приводит, в частности, к появлению CO и углеводородов в отходящих газах;

• потери, связанные с теплопроводностью и излучением. При производстве пара уровень этих потерь зависит, главным образом, от качества теплоизоляции котла (парогенератора) и паропроводов;

• потери, связанные с наличием несгоревшего топлива в твердых остатках сгорания, в частности, с присутствием непрореагировавшего углерода в зольных остатках и золе уноса котлов;

• потери, связанные с продувкой котлов, используемых для производства пара.

Помимо потерь тепла, необходимо принимать во внимание энергопотребление вспомогательного оборудования (например, систем транспортировки топлива, угольных мельниц, насосов и вентиляторов, систем золоудаления, систем очистки теплопередающих поверхностей и т. д.) [1].

Тепловой баланс

Тепловой баланс любого теплотехнического агрегата характеризуется равенством между количеством подведенной и расходной теплоты: Qприх = Qрасх. Обычно тепловой баланс установки составляют на единицу массы сжигаемого топлива – 1 кг твердого или жидкого топлива либо на 1нм3 газообразного топлива. Основная составляющая приходной части баланса это теплотворность топлива Qрн. Остальные составляющие обычно невелики – физическая теплота топлива, холодного воздуха и др. Расходуемое тепло можно определить суммой полезно используемого тепла Q1 и тепловых потерь:

Qрн = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6, ккал/кг (нм3),

где Q2 – потеря тепла с уходящими газами;

Q3 – потеря тепла с химической неполнотой сгорания топлива;

Q4 – потеря тепла с механической неполнотой сгорания топлива;

Q5 – потеря тепла в окружающую среду;

Q6 – потеря с физическим теплом шлаков.

Уравнение (для твердого топлива) теплового баланса, выраженное в процентах от Qрн,:

g1 + g2 + g3 + g4 + g5 + g6 = 100 %.

Полезное тепло g 1 – это тепло выработанной тепловой энергии в горячей воде для водогрейного котла или в паре для парового котла и т. д.

Потерю тепла с уходящими газами можно определить как разность теплосодержаний, уходящих из котла газов и холодного воздуха:

Даже при достаточно низкой температуре уходящих газов 110–120 оС величина Q 2 составляет не менее 8–10 % [2].

При рассмотрении отдельных составляющих уравнения баланса тепла можно выделить две потери, целиком зависящие от топлива, способа его сжигания, конструкции топки и ее обслуживания, — это потери от химической и механической неполноты сгорания. Механический недожог топлива расчленяется на три части: потеря от провала топлива через зазоры колосниковой решетки, потери в шлаках и с уносом. Потеря от провала при правильном конструировании полотна решетки обыкновенно незначительна и в балансе тепла колеблется в пределах, равных 0,5-2,0%. Потеря в шлаках, особенно для многозольного топлива, может достигать довольно больших размеров. Наблюдается прямая зависимость между количеством золы в топливе и потерей со шлаками. Чем выше зольность, тем большее количество твердых частиц топлива в слое не сгорит вследствие обволакивания шлаком, затрудняющим доступ к ним воздуха. У топлива, имеющего малый выход летучих веществ, горение, как известно, сосредоточивается в слое, там развиваются высокие температуры, плавится шлак и в его массу попадает часть горючего. Если сжигается топливо с большим выходом летучих, то из-за пониженных температур а слое, охлаждаемом в таком случае воздухом, идущим для сжигания летучих в топочном пространстве, шлаки скорее затвердевают (гранулируются), не сильно облепляют кусочки топлива и потеря горючего со шлаками уменьшается.

При сжигании топлива на простых решетках с периодической чисткой шлака последний долгое время находится на решетке, что способствует лучшему выжиганию из шлака частичек горючего. Путем улучшения условий сжигания, выделения, например, в механических топках особого участка, предназначенного для выжигания из шлака частичек попавшего в них топлива, удается по большей части довести и эту составляющую механического недожога до сравнительно небольших размеров. Гораздо сложнее бороться с последней потерей — уносом горючих частичек в газоходы и трубу.

Количество выделяемого на решетке тепла пропорционально расходуемому топливу, а следовательно, и идущему на его сжигание воздуху и скоростям его движения по слою. С изменением расхода воздуха пропорционально изменяются и скорости его движения через слой, влияющие на потерю от уноса.

Бороться с увеличением уноса из слоя топлива можно путем понижения избытка воздуха, тогда уменьшаются скорости движения газов по слою, повышаются температуры в слое и в топочном пространстве, тем содействуя лучшему сжиганию.

Чтобы подсчитать потерянное количество тепла, надо знать количество и теплотворную способность провала, шлаков и уноса, в которые попадает зола топлива, обогащенная частицами несгоревшего топлива, лишенного воды. Обычно после испытания котельной установки взвешиваются извлеченные из топки провал и шлаки. Их вес делится на количество часов работы, и таким образом находятся величины часового выхода провала и шлаков.

Способами, аналогичными применяемым для минерального топлива, отбираются средние пробы отдельно от провала, шлаков и уноса, которые и направляются в химическую лабораторию на исследование.

При невысокой теплотворной способности очаговых остатков лаборатория вместо теплотворной способности часто дает сведения о количестве в процентах горючих элементов в провале и шлаках.

Теплотворная способность горючих элементов в провале, шлаке и уносе в зависимости главным образом от рода сжигаемого топлива колеблется в пределах 8 300 7 300 ккал/кг. ВТИ рекомендует в среднем считать 7 800 ккал/кг, что и принято в формулах

Потерю тепла от уноса экспериментально определить затруднительно, так как часть уноса осаждается в газоходах и часть удаляется вместе с отходящими газами в дымовую трубу.

Обычно количество уноса определяется по золовому балансу [3].

Потеря тепла от химической неполноты горения в котле g3 зависит от содержания продуктов неполного горения в дымовых газах (СО, Н2,СН4 и др.). При правильно организованном процессе горения величина g3близка к нулю. Но в котлах со слоевыми топками и ручной заброской топлива (ручные топки) организовать полное сгорание топлива невозможно. В этом случае потери g3 в зависимости от вида топлива могут составлять следующие значения (в %):

Потеря тепла в окружающую среду g5 зависит от большого количества факторов: вида и состояния обмуровки котла, производительности агрегата, наличия так называемых хвостовых (конвективных) поверхностей нагрева и т. п. Для котлов малой производительности при их номинальной нагрузке g5 равно не менее 2 %. При этом со снижением фактической нагрузки котла величина g5 возрастает.

Потеря с физическим теплом шлаков g6 особенно заметна опять же для ручных топок – 1,0–1,5 %.

Отношение полезно использованного тепла в котле к располагаемому называется коэффициентом полезного действия (брутто). Он может быть определен: по прямому тепловому балансу:

по обратному тепловому балансу:

где еg – сумма тепловых потерь котла, %.

Для ручной топки h котла приближенно составит:

h = 100 – 9 – 3,5 – 11 – 3 – 1 = 72,5, %.

Коэффициент полезного действия, с учетом расходов электроэнергии и тепла на собственные нужды, называется КПД нетто:

где gсн – общий расход энергии (электрической и тепловой) на собственные нужды котла, отнесенный к располагаемому теплу, %.

Нормативы расходы тепла на собственные нужды, в % от номинальной нагрузки котельной, составляют:

газообразное топливо – 2,3–2,4;

слоевые и факельно-слоевые топки – 2,6–5,1;

жидкое топливо – 3,9–9,7.

Удельные расходы электроэнергии на выработку и транспортирование тепла для отопительных котельных составляет 18–20 кВт·ч/Гкал, или около 1,7 %.

Таким образом, в настоящее время в котельных с котлами со слоевым сжиганием топлива КПД нетто составляет не более

hн = 72,5 – 5 – 1,7 = 65,8, %,

то есть полезно используется только около половины сжигаемого топлива [2].

В основе стратегий повышения энергоэффективности может лежать сокращение потерь тепла через стены или с дымовыми газами. Повышение энергоэффективности (КПД) топливосжигающей установки позволяет достигнуть сокращения выбросов CO2 при условии, что это улучшение приводит к сокращению потребления топлива. В этом случае выбросы CO2 снижаются пропорционально сокращению потребления топлива. Однако результатом повышения КПД может быть и увеличение производства полезной энергии при неизменном расходе топлива. Это может привести к увеличению производительности или мощности производственной единицы с одновременным повышением энергоэффективности. В этом случае имеет место сокращение удельных выбросов CO2 (на единицу продукции), но абсолютный объем выбросов остается неизменным [1].

Источник

Добыча нефти и газа

нефть, газ, добыча нефти, бурение, переработка нефти

Механический недожог

Потеря тепла с уходящими дымовыми газами составляет наибольшую долю и находится в зависимости от температуры продуктов сгорания, покидающих котельный агрегат, и коэффициента избытка воздуха. Обычно температура уходящих продуктов сгорания составляет — °С, а потеря тепла = 3—7%.

С увеличением коэффициента избытка воздуха потеря тепла с уходящими дымовыми газами возрастает. Потеря гепла от химического недожога обусловлена либо общим недостатком кислорода в топке (мала величина а), либо плохим перемешиванием топлива с воздухом. Потеря тепла продуктами сгорания и шлаком.

Интересные данные были получены при исследовании распределения коэффициента избытка воздуха и потерь тепла от химического и механического недожога по ширине топочной камеры на расстоянии около б м (по высоте) от горелки. Мазут с вязкостью 4° ВУ распыливался в этих опытах одной механической форсункой производительностью около 5 т/ч при давлении 16 кГ/см и сжигался с тепловым напряжением активного объема

Это тепло расходуется на нагрев воды и образование пара (31 и восполнение потерь тепла Потери тепла складываются из следующих статей Q2 — потерь тепла с уходящими продуктами сгорания О3 — потерь тепла от химического недожога топлива Q4 — потерь тепла вследствие механического недожога топлива (За — потерь тепла в окружающую среду через теплоизоляцию. Общий расход тепла составит

Механический недожог, т. е. процент горючего вещества, не участвующего по каким-либо причинам в процессе горения, на пожаре не учитывается. Химический недожог, т. е. неполное сгорание образовавшихся из горючих веществ паров и газов, необходимо учитывать, потому что он влияет на температурный режим пожара.

Величина химического недожога находится в зависимости от состава горючего вещества и внешних условий, в каких протекает горение. При пожарах в помещениях, имеющих небольшую площадь оконных и дверных проемов (подвалы, сушилки, холодильники), подвод воздуха к зоне горения затруднен, поэтому не все пары и газы полностью сгорают. В табл. 16 приведены данные лабораторных опытов по определению величины химического недожога при горении. некоторых жидких углеводородов.36

При первоначальном размере угольных частиц rfy = 1 мм они смогут выгореть на 96 / до того, как начнут выноситься в надслоевое пространство, а ожидаемый механический недожог составит 4%. При подаче в топку более мелких фракций угля механический недожог возрастает, а исходные зерна будут выноситься (частично) не сгоревшими.

Вместе с тем опытный материал убедительно показывает, что летучие в главном выделяются и сгорают на начальных стадиях процесса. Это не исключает участия остатков летучих в последующих стадиях горения, причем их следы наблюдаются даже в механическом недожоге с другой стороны, при определенных условиях возможно участие кокса уже в самых первых стадиях горения. Таким макаром, представление о последовательности горения летучих и кокса или
По величине определяем механический недожог 7 = 0,028 (8100 0) 0,= = 0,021 = 2,1%.

ВТИ и Башкирэнерго на Салаватской ТЭЦ изучалось влияние различных факторов на топочные потери при сжигании мазута с малыми избытками воздуха в горелках большой мощности Л. 4-34, 4-35. В процессе опытов были установлены зависимости химического и механического недожога от давления и вязкости мазута при распыливании механическими и паромеханическими форсунками, также от интенсивности крутки и скорости воздушного потока. При всем этом испытывались горелки конструкции ЗиО с паромеханическими форсунками производительностью 3 т/ч и ТКЗ с малогабаритными механическими форсунками производительностью до 8 г/ч, установленные на боковых стенках котлов фирм

Условия выгорания коксового остатка крупных капель в топке будут, очевидно, менее благоприятными, чем условия выгорания его в нагретом воздушном потоке, и, следовательно, время полного сгорания окажется больше. Однако, потому что разница времен полного сгорания коксового остатка капель различных размеров (например 0,5 и 1,5 мм) очень невелика Л. 3-65, не следует ожидать что переход от форсунок малой и средней производительности к форсункам большой производительности повлечет за собой существенное возрастание доли механического недожога топлива в общем балансе топочных потерь.

Конечное значение механического недожога (на выходе из топки) в случае горения в кинетической области рассчитывается по средней температуре, найденной при помощи формул (9-15) и (9-16). В таком расчете, по существу, определяется конечное выгорание неизотермического факела изменение температуры по ходу факела описывается формулой (9-15).

Сама обработка опытов заключалась в следующем. По экспериментальным значениям механического недожога находились значения видимой константы скорости горения к. Время сгорания пыли определялось по формуле

Если топливо свободно покоится на колосниковой решетке под действием собственного веса, то увеличение форсировки приводит к увеличению скорости фильтрации воздуха в слое и к выносу из слоя все более и более крупных частиц. Относительно крупные частицы топлива уже не успевают сгореть налету в пределах топочной камеры, что приводит к резкому возрастанию механического недожога. Отмеченное обстоятельство затрудняет сжигание в слое топлив, содержащих значительное количество мелочи и не дает возможности повысить теплонапряжение зоны горения, чтобы наиболее полно использовать возможности слоевого процесса. Под теплона-пряжением зеркала горения подразумевают количество тепла, вы-

Результаты обработки опытов были представлены в координатах lg /г и 1/Гф. Во всех случаях наблюдается согласованность опытных точек, соответствующих достаточно малым значениям механического недожога, которые в реальных топках имеют место при обеспеченном воспламенении, отсутствии существенной неоднородности в работе отдельных горелок, хорошем заполнении топки факелом и т. п., т. е. при отлаженном процессе горения.

Эти опытные точки располагаются вокруг некоторых средних прямых с максимальным разбросом около 60% по абсолютным величинам констант. Опытные точки,отвечающие большим значениям механического недожога, как правило, выпадают из общих закономерностей. Большие недожоги в основном вызываются случайными факторами. Поэтому для пыли антрацитов

Горение почти всегда сопровождается химическим и механическим недожогом.36

Использование рассмотренных выше закономерностей вторичного дробления капель позволяет утверждать, что вторичное дробление способствует переформированию спектра капель и переходу значительной доли крупных капель в более мелкие. Это значит, что при увеличенных скоростях воздушного потока механический недожог должен быть ниже, чем при пониженных скоростях, а химический— наоборот (при прочих равных условиях). Последнее подтверждается экспериментальными данными Башкирэнерго, частично представленными на рис.

Таким образом, вторичное дробление капель изменяет характер выгорания распыленного мазута, приближает факел к монодисперсному и способствует более полному сгоранию топлива. Кроме того, эффектом вторичного дробления капель можно объяснить отмеченные выше низкие значения механического недожога при работе форсунок большой производительности.

Что касается химического недожога, то и он не должен быть значительным при повышенных и нормативных избытках воздуха в силу того, что интенсивное перемешивание паров крупных капель с газовоздушным потоком, движущимся с относительно высокой скоростью, обеспечивает возможность их быстрого сгорания в непосредственной близости от капель. Однако по мере снижения избытка воздуха испарение крупных капель, выпавших из газовоздушных факелов отдельных горелок, будет происходить Б тех зонах топки, где количество кислорода может оказаться недостаточным для полного окисления выделяющихся паров. Эти зоны могут быть относительно обширными, из-за чего последующее перемешивание образующегося в них избыточного горючего газа с газом, содержащим избыточный кислород, будет затруднительным. По-видимому, именно этим объясняется то, что при использовании мощных горелок почти всегда имеет место весьма неравномерное распределе-

Потеря тепла с механическим недожогом до375

Величина потери тепла с механическим недожогом 4 зависит от степени совершенства топочно-горелочных устройств, свойств распыленного топлива, показателей воздушного режима и многих других факторов. Существенно влияет на полученные результаты также и способ определения этой потери.

По утверждению авторов Л. 5-26 погрешность определения составляет 1,5—2 абс. %, что исключает возможность применения этих расчетных зависимостей для определения потери тепла от механического недожога при сжигании мазута, как правило, не превышающей 0,2—0,5%.

Напротив, в других работах, например Л. 5-30, величина (71 вообще не принимается во внимание. Если это еще было допустимо нри сжигании мазута с нормативными избытками воздуха Л.

5-31, то при приближении избытков воздуха к стехиометрическому соотношению, сжигание мазута, как правило, сопровождается существенным увеличением величины

Источник