что такое механический недожог топлива

ООО «НПЦ «АНАЛИТЕХ»

Сжигание с недожогом

Контролируемый химический недожог – эффективный метод снижения выбросов оксидов азота

П.В. Росляков, докт. техн. наук, И.Л. Ионкин, Л.Е. Егорова, кандидаты техн. наук
Московский энергетический институт (технический университет)

Снижение загрязнения окружающей среды токсичными продуктами сгорания органических топлив является одной из важных проблем развития российской теплоэнергетики. В настоящее время действуют довольно жесткие нормативы, регламентирующие выбросы в атмосферу. Подавляющее большинство действующих котлов, имеют значительно более высокие уровни выбросов NO, чем это регламентируется ГОСТ Р50831-95 (рис. 1). К настоящему времени разработано большое количество методов снижения выбросов оксидов азота как на стадии сжигания топлива (так называемые технологические или внутритопочные мероприятия) так и очистки газов на стадии охлаждения продуктов сгорания (например DENOx). Последние являются высокоэффективными методами, позволяющими обеспечить заданные уровни выбросов оксидов азота, и широко применяются в технологически развитых странах. Однако очень высокие капитальные и эксплуатационные затраты, необходимость размещения крупногабаритных установок и длительное время, необходимое для их реализации, делает внедрение данных технологий для действующих российских котлов в обозримом будущем крайне маловероятным.
Тем не менее, рост промышленного производства и ускоренный ввод в строй электрогенерирующих мощностей, который планируется в ближайшие годы, потребует сократить объемы выбросов от уже установленного оборудования. Особенно актуальной эта проблема станет, если все-таки начнет происходить замена природного газа твердым топливом и мазутом.

Следует отметить, что при внедрении данных технологий может наблюдаться не только снижение КПД котельной установки, но и сложности с регулированием технологических процессов. Последнее часто обусловлено не только усложнением схемы регулирования, но и плохим состоянием контрольно-измерительных приборов, установленных на котле.
Одним из наиболее легко реализуемых режимных мероприятий является снижение избытка воздуха в топке. В результате уменьшения содержания кислорода в зоне горения происходит подавление образования как термических, так и топливных NOx. Поэтому данное мероприятие может быть применено при сжигании любых видов органического топлива. Оно позволяет не только снизить выбросы NOx, но и несколько повысить КПД котла за счет сниженияпотерьтеплотысуходящимигазамиизатратэнергиина собственные нужды.
Влияние избытков воздуха на образование оксидов азота описывается экстремальной зависимостью с максимумом при а= 1,15-1,25 для газомазутных котлов и а= 1,4-1,5 для пылеугольных котлов в зависимости от конструкции горелочных устройств и состояния топочной камеры (рис. 2). Причем максимум содержания NOx в дымовых газах соответствует такому значению коэффициента избытка воздуха, при котором в данных условиях достигается наиболее полное сгорание топлива (рис.3).

Одним из аргументов против реализации режимов с умеренным недожогом топлива является увеличение эмиссии бенз(а)пирена CH(рис. 6). Действительно бенз(а)пирен, как вредное вещество, относится к первому классу опасности и потому является более токсичным нежели оксиды азота. Однако объективно количественно оценить экологические показатели различных режимов сжигания топлива можно только с учетом, как токсичности различных вредных примесей (NO, CO, C20H12), так и их массовых выбросов.
Известно, что концентрации различных примесей в продуктах сгорания самым тесным образом связаны между собой. Изменение режима сжигания топлива приводит к увеличению содержания одних примесей при одновременном снижении эмиссии других (рис. 5, 9). Поэтому экологическая безопасность режима будет тем выше, чем меньше значение суммарного относительного показателя вредности выбрасываемых дымовых газов.

Для сравнения экологической безопасности рассмотренных выше режимов сжигания (рис. 7) для каждого из них рассчитывался показатель суммарной вредности продуктов сгорания SП, являющийся суммой частных показателей вредности Пi для СО, NO и БП. В свою очередь частные показатели вредности Пi характеризуют удельное количество вредного вещества и его относительную токсичность и представляют собой количество граммов вредной примеси mj, образовавшейся при сжигании одного грамма топлива, отнесенное к относительной теплоте сгорания топлива и к относительной токсичности вредной примеси:

Следовательно, режимы с умеренным недожогом являются наиболее оправданными как с точки зрения экологической безопасности, так и с точки зрения эффективного сжигания природного газа.
Следует отметить, что работа на пониженных избытках воздуха с умеренным контролируемым недожогом предъявляет более высокие требования к состоянию котельного агрегата, работе контрольно-измерительных приборов, а также к квалификации эксплуатационного персонала и технологической дисциплине.
Известно, что большинство действующих в настоящее время на ТЭС котлов были введены в эксплуатацию более 20 лет назад и, как правило, их эксплуатационные характеристики уже не в полной мере соответствуют проектным величинам. Это в первую очередь относится к присосам холодного воздуха в топочную камеру и газоходы котла, которые превышают нормируемые значения, и равномерности раздачи топлива и воздуха по горелочным устройствам.
Поэтому перед внедрением режимов сжигания топлива с контролируемым умеренным недожогом следует провести уплотнение топки, поверку штатных приборов и устранение перекосов в топливовоздушных трактах. Последнее позволяет оптимизировать процесс сжигания топлива и уменьшить выход СО и БП. При этом максимальные значения концентрации NO остаются без изменения, но вся кривая зависимости NOx(a) сдвигается в область меньших избытков воздуха (рис. 16).

Источник

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

Механическая неполнота сгорания

Главная » Статьи » Механическая неполнота сгорания

Механическая неполнота сгорания топлива

Механическая неполнота сгорания, как уже указывалось, расчленяется на три части:

Потеря от провала топлива

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.

Потеря в шлаках

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, 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 в слое, охлаждаемом в таком случае воздухом, идущим для сжигания летучих в топочном пространстве, шлаки скорее затвердеваают (гранулируются), не сильно облепляют кусочки топлива и потеря горючего со шлаками уменьшается.

Потеря с уносом

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. Указанные скорости и расход топлива получают хорошее отражение в так называемом тепловом напряжении зеркала горения.

Иногда в качестве характеристики работы топки принимают ее в весовое напряжение В/R, что неправильно, так как расход воздуха пропорционален не весу сжигаемого топлива, а произведению Q p _н В [см. формулу (26)].

Примером резкого повышения уноса в зависимости от форсировки могут служить цифры изменения потери от уноса при сжигании мелочи подмосковного угля на цепной решетке:

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. Далее, перекрывая топку сводами, конечно, в тех случаях, где это возможно и не вызывает чрезмерного повышения температуры слоя, можно заставить отскакивать вниз ударяющиеся о своды частички твердого топлива; наиболее радикальным мероприятием по борьбе с уносом является увеличение объема топочного пространства, в пределах которого происходит сгорание частичек топлива. Понижение теплового напряжения зеркала горения также уменьшает потерю с уносом. Эта мера наиболее дорогая, так как снижается форсировка котла и приходится устанавливать дополнительные котлы. По мере увеличения выхода летучих в топливе и, следовательно, уменьшения его коксующейся части унос уменьшается.

Потеря от уноса получается и при сжигании пылевидного топлива, если его помол будет недостаточно тонок, а размеры топочной камеры таковы, что частички пыли не будут успевать сгорать до момента соприкосновения факела с поверхностью нагрева первого газохода. В табл. 25 приведены допустимые тепловые напряжения объема топочного пространства для пылевидного топлива, и, как видно, они значительно ниже соответствующих напряжений для слоевого сжигания. Это объясняется тем, что газ в топочном пространстве сгорает скорее по сравнению даже с мельчайшей пылинкой топлива. При сгорании пылинки вокруг нее образуется облачко инертных газов (СО₂, Н₂О, N₂), затрудняющее доступ к чей кислорода и тем замедляющее механическую неполноту сгорания. Применение турбулентных горелок, завихривающих факел, способствует лучшему перемешиванию угольной пыли с воздухом, а также разрушению указанной газовой оболочки. Подобные мероприятия позволяют приблизить тепловые напряжения топочного объема к напряжениям для кускового топлива, когда в топочном пространстве сгорают по преимуществу газообразные горючие вещества.

Потеря от уноса ставит пределы допустимых форсировок топок, а для сравнительно мелких отопительных установок, когда зеркало горения их топок имеет ограниченные размеры, эти пределы форсировок топок предопределяют и возможный съем тепла с котельных поверхностей. Таким образом, в мелких установках не конструкция котла, условия циркуляции и т. п. ставят пределы допустимых форсировок, а главным образом топка и в первую очередь потеря от уноса.

В табл. 26 приведены величины тепловых потерь от провала, в шлаках и уносе для различных топлив и топок. Эти цифры надо считать средними для нормальных условий эксплуатации и правильно спроектированных топок.

Определение механической неполноты сгорангия

Механическая неполнота сгорания и потеря тепла от нее, считая на каждый килограмм топлива, выражается равенством

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.

В лаборатории определяется механическая неполнота сгорания на сухое вещество провала, шлаков и уноса: Q с _пр; Q с _шл и Q с _ун ккал/кг.

При невысокой теплотворной способности очаговых остатков лаборатория вместо теплотворной способности часто дает сведения о количестве в процентах горючих элементов в провале и шлаках. Потеря тепла в провале и шлаках в зависимости от того, какими располагают сведениями, может быть подсчитана:

При наличии данных о содержании в процентах горючих элементов г% в провале, шлаках и уносе, учитывая отсутствие в них влаги, так как последняя в топке испарится,Q с _пр; Q с _шл и Q с _ун определяют так

Теплотворная способность горючих элементов в провале, шлаке и уносе в зависимости главным образом от рода сжигаемого топлива колеблется в пределах 8300 7300 ккал/кг. ВТИ рекомендует в среднем считать 7800 ккал/’кг, что и принято в формулах (111), (112) и (113).

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.

Всего за час выделилось золы А р В/100 которая распределилась в провале, шлаке и уносе приблизительно в таких соотношениях:

Из равенства (114) определяется G_ун, после чего потеря тепла от уноса подсчитывается по уравнению

При сжигании мазута или газа потеря от механического недожога отсутствует и q4 = 0.

В гл. IV указывался метод, учитывающий влияние потери от механического недожога в формулах, определяющих потери от химической Q₃ неполноты сгорания и с отходящими газами Q₂.

Производя испытания котельной установки, обычно q₄ ун экспериментально не определяют. Вся же потеря q4=q пр ₄ + q шл ₄ + q ун ₄ может быть определена путем следующих подсчетов.

При экспериментальном определении баланса тепла котельной установки должно сохраниться равенство

Q4 определяется как единственная неизвестная величина при подсчете теплового баланса без поправок. Таким образом, при решении уравнения (116) неизвестной величиной является Q’₄, которую и находят, после чего подсчитывают q’₄ и с поправкой на q’₄ значения Q’₂ и Q’₃.

Источник