Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы - Владлен Котлер

Газопроводы к котлам прокладывают в виде тупиковых ответвлений от общестанционной магистрали. Все газопроводы, как и положено по технике безопасности [3], снабжаются свечой, отводящей газ при продувке газопроводов в атмосферу. Свечи обычно выводят в места, недоступные для пребывания людей. Через свечи вытесняется также газовоздушная смесь, появляющаяся в газопроводе перед растопкой котла. Схема газопроводов с необходимой арматурой в помещении котельного цеха приведена на рис. 3.18. Для газопроводов используются стальные бесшовные трубы, диаметр которых выбирается по расходу газа и принятой скорости его движения. Рекомендуемые значения скорости составляют 60–80 м/с для магистральных газопроводов и 40–60 м/с для отводов к котлам.

Рис. 3.18. Схема газопроводов в помещении котельной

На электростанциях, расположенных по соседству с предприятиями металлургического профиля, часто сжигают доменный или коксовый газ. В этих случаях система газоснабжения принципиально не отличается от схемы подачи природного газа. Но в любом случае для котлов, получающих из общей магистрали технологический газ, должен быть предусмотрен индивидуальный ГРП, в котором осуществляются дросселирование и поддержание постоянного давления газа.

Глава 4. Тепловой и материальный баланс котельной установки

Котельная установка сконструирована и работает в строгом соответствии с законом сохранения энергии. Это значит, что тепловая энергия, полученная в топке в результате сгорания органического топлива, расходуется на нагревание и превращение воды в пар, а также на перегрев этого пара до заданной температуры. Некоторая часть тепловой энергии при этом теряется в окружающую среду, с уходящими газами, с физическим теплом золы и шлака. Присутствует среди потерь и несгоревшая часть топлива – химический и механический недожог (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема основных тепловых потоков котла

4.1. Газовоздушный тракт

Для превращения химической энергии органического топлива в тепловую, в топочную камеру котла подаются топливо и окислитель, а из котла удаляются продукты сгорания. Конструкторы котла и эксплуатационный персонал (каждый – в зоне своей компетенции) стараются обеспечить максимально полное сгорание топлива, минимальные потери в окружающую среду и максимальную степень охлаждения продуктов сгорания, покидающих котельную установку. Всё это вместе приводит к повышению коэффициента полезного действия – КПД (брутто).

Приходная часть материального баланса котла — это топливо (В, кг/с) и окислитель (LB, кг/с), в качестве которого используется организованно подаваемый в топку горячий воздух. Кроме того, в негазоплотных котлах, работающих под разрежением, в топку и конвективные газоходы подсасывается некоторое количество воздуха (ΔLт и ΔLк, кг/с). При этом подсосанный в конвективный газоход воздух в процессе горения не участвует, то есть является полностью балластным.

Расходная часть материального баланса — газообразные продукты сгорания, покидающие котел, и твердые очаговые остатки – золошлаки (последние – только при сжигании твердого топлива). При этом шлак удаляется через холодную воронку или через летку (в топках с жидким шлакоудалением), а зола уноса улавливается в электрофильтрах или других золоуловителях (за исключением небольшой части, уносимой газообразными продуктами сгорания через дымовую трубу).

Таким образом, уравнение материального баланса по газовоздушному тракту можно записать в таком виде:

B + LB + ΔL = Lr + ΣGз/ш. (4.1)

В случае сжигания жидкого или газообразного топлива в этом уравнении последний член отсутствует.

Расход топлива В определяется мощностью (паропроизводительностью) котельного агрегата, а необходимый расход окислителя (кислорода) можно подсчитать по содержанию в топливе горючих компонентов – углерода С, водорода Н и серы S.

Так, например, количество кислорода, необходимое для полного сгорания углерода, легко определить, зная молекулярные массы углерода (12), кислорода (32) и плотность кислорода при 20 °С и 101,3 кПа (1,428 кг/м3):

 (4.2)

Точно так же можно подсчитать количество необходимого кислорода для полного сгорания водорода (5,56 м3/кг) и серы (0,7 м3/кг). После этого легко определить теоретически необходимый расход кислорода для полного сгорания твердого и жидкого топлива (с учетом кислорода Оr, который имеется в сжигаемом топливе):

. (4.3)

Если учесть, что содержание кислорода в воздухе (по объему) составляет приблизительно 21 %, то для определения теоретического количества сухого воздуха VBO (м3/кг), необходимого для полного сгорания твердого и жидкого топлива (то есть при α = 1,0), можно записать:

VBO = 0,0889 (Сr + 0,375SrO+K) + 0,265Нr − 0,ЗЗЗОr. (4.4)

Аналогичный расчет для случая, когда в котле сжигается газообразное топливо, позволяет определить теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м3 газа (VBOм3/м3) с известным химическим составом:

VBO = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н2 + 1,5H2S + 2(m + n/4)СmНn−O2]. (4.5)

Скорость горения, как и скорость других химических реакций, зависит, в частности, от концентрации реагирующих веществ. Поэтому теоретически необходимого количества воздуха оказывается недостаточно для полного сгорания топлива: на последней стадии горения скорость реакций станет недопустимо малой – топливо не успеет сгореть в зоне высоких температур. Именно поэтому в топку подают количество воздуха, превышающее теоретически необходимое. Отношение первого ко второму называют коэффициентом избытка воздуха и традиционно обозначают первой буквой греческого алфавита – α. Следовательно,

α = VB / VBO, (4.6)

где VB и VBO – фактический и теоретически необходимый расходы воздуха (м3/кг или м3/м3).

В некоторых странах используют не «коэффициент» (отношение), а «избыток» воздуха в процентах, то есть 100 (VB − VBO) / VBO. Понятно, что α = 1,15, например, соответствует избытку воздуха 15 %, α = 1,2–20 %, и т. д.

После завершения топочного процесса в котле образуются продукты сгорания, состав и количество которых имеют большое значение как для процессов теплообмена и аэродинамики в конвективных поверхностях нагрева, так и для анализа проблемы загрязнения атмосферного воздуха.

Если пренебречь ничтожно малым объемом монооксида углерода Vco, то можно считать, что газообразные продукты сгорания – это трехатомные газы: (Vco2+ Vso2), азот VN2 и водяные пары VH2O. Объем трехатомных газов VRO2 (м3/кг) удобно выразить в виде одного члена:

. (4.7)

Объем азота при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха будет равен сумме азота воздуха и молекулярного азота, образовавшегося из азотсодержащих компонентов топлива:

. (4.8)

Объем водяных паров в продуктах сгорания складывается из нескольких составляющих: водяного пара, образовавшегося при сгорании водорода топлива, испарившейся влаги топлива и, наконец, влаги, внесенной в топку вместе с теоретически необходимым количеством воздуха:

. (4.9)

В этом уравнении принято, что влагосодержание воздуха αв = 10 г/кг. В тех случаях, когда в котле сжигается мазут с использованием форсунок парового распыливания, необходимо добавить еще один член – 1,24 GФ, где GФ – расход пара, кг/кг.

Объем водяных паров при фактическом расходе воздуха (α>1) будет несколько больше за счет водяных паров, содержащихся в дополнительном воздухе (α−1):

. (4.10)

Таким образом, окончательное выражение для подсчета объема продуктов сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива К (м3/кг) имеет вид:

. (4.11)

При сжигании газообразного топлива теоретический объем азота, как и в случае с углем, состоит из азота воздуха и молекулярного азота, присутствующего в топливе:

. (4.12)

Объем трехатомных газов VRO2 (м3/м3) при сжигании газа равен:

. (4.13)

Теоретический объем водяных паров также рассчитывается по формуле, отличающейся от аналогичной зависимости для угля:

. (4.14)

Здесь dг.тл – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа, г/м3. Теперь, для определения объема водяных паров и общего объема дымовых газов при сжигании газообразного топлива с α>1,0 можно воспользоваться уравнениями (4.10) и (4.11).