Сжигание любого топлива есть процесс окисления органической части топлива с образованием продуктов сгорания. В качестве окислителя, как правило, используется атмосферный воздух, точнее кислород воздуха. Практически все расчеты необходимых количеств воздуха для горения, образующихся продуктов сгорания и т.п. ведутся по элементарному составу топлива, что является предметом специальных технических дисциплин. Приведем здесь самые общие данные и характеристики [6, 7].
Для каждого топлива определяют объем воздуха, нм3/кг, теоретически необходимого для полного сгорания 1 кг этого топлива (нм3 - определяют как кубический метр воздуха, приведенный к 760 мм ртутного столба атмосферного давления и температуре 0 0С). Данный объем воздуха называют также стехиометрически необходимым для сгорания единицы массы топлива. Для ориентировочных расчетов можно пользоваться приближенной формулой Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), нм3/кг:
V0 = [а0 / 1000] (Qрн + 6Wр), (1.6)
где а0 - опытный коэффициент: для антрацита - 1,11, каменных углей и мазута - 1,10; дров (Wр = 30 - 1,12; дров любой влажности - 1,05; торфа (Wр = 40 - 1,18; торфа средней влажности - 1,08; бурых углей - 1,15.
Действительное количество воздуха, подаваемое в топку, обычно несколько больше теоретически необходимого, нм3/кг:
VД = aт-V0, (1.7)
где ат - определяется как расход (избыток) воздуха в топочном пространстве котла, печи.
Для того чтобы дымовые газы не выбивались из топки и газоходов котла, в них поддерживается обычно минимальное разрежение. При этом через неплотности обмуровки в топку, газоходы котла подсасывается холодный воздух, который является паразитным и ухудшает показатели работы котла. Разность между величинами расходов воздуха в топке и в уходящих газах (в дымовой трубе) определяется как присос воздуха, равный
Аа = аух -ат. (1.8)
Для ориентировочных расчетов полный объем дымовых газов можно определить по упрощенной формуле ВТИ, нм3/кг:
Vг = (С-a + В)-^^-----+ 0,0124 И^, (1.9)
1000
где С и В - опытные коэффициенты, принимаемые из табл. 1.3.
При сжигании твердых топлив образуются также шлак и зола. Шлак удаляется через шлаковую шахту топки, а зола (унос) частично выноситься с дымовыми газами, загрязняя окружающую среду. Частично зола может улавливаться в газоходах котла, в том числе и в специальных пылегазо-улавливающих установках.
Таблица 1.3
Опытные коэффициенты
Топливо
Коэффициенты
С
В
Мазут
0,069
1,120
Антрациты и тощие угли
0,020
1,118
Пламенные и бурые угли
0,54
1,112
Торф
0,108
1,094
Древесина
0,142
1,066
Концентрацию золы в дымовых газах можно оценить по формуле, г/нм3:
М = \0-аун-Ар / Vг, (1-Ю)
где аун - доля золы топлива, уносимая с газами, принимается равной
• для пылеугольных топок с сухим шлакоудалением - 0,9;
• для шахтно-мельничных топок - 0,85;
• для слоевых топок при сжигании антрацита - 0,30;
• то же, при сжигании каменных и бурых углей - 0,2 - 0,25.
Состав продуктов сгорания. Для осуществления контроля над характером процесса горения (полное или неполное) топлива используется газовый анализ. В состав сухих продуктов сгорания входят
СО2 + SО2 + О2 + N2 + CО + Н2 = 100%. (Ill)
Полное содержание трехатомных газов СО2 + SО2 = RО2, а при а = 1 соответственно RО2мах. При полном сгорании топлива в составе дымовых газов отсутствуют продукты неполного горения СО, Н2 и другие.
Для приближенных расчетов коэффициент расхода воздуха а можно определить по составу продуктов полного сгорания топлива по формулам:
азотной а = N2/(N2 - 3,76-О2), (112)
кислородной а = 21/(21 - О2), (113)
углекислотной а = RО2макс/RО2. (114)
Тепловой баланс. Тепловой баланс котла, как и любого теплотехнического агрегата, характеризуется равенством между количеством подведенной и расходной теплоты: Qприх= gрасх. Обычно тепловой баланс котла составляют на единицу массы сжигаемого топлива - 1 кг твердого или жидкого топлива, либо на 1 нм3 газообразного топлива. Основная составляющая приходной части баланса - это теплотворность топлива <2рн. Остальные составляющие обычно невелики - физическая теплота топлива,
холодного воздуха и др. Расходуемое тепло можно определить суммой полезно используемого тепла Q1 и тепловых потерь, ккал/кг (нм3):
Qрн = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6, (1.15)
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, запишется
g1 + g2 + g3 + g4 + g5 + g6 = 100 %. (1.16)
Полезное тепло Q1 – это тепло выработанной тепловой энергии в горячей воде для водогрейного котла или в паре для парового котла.
Потерю тепла с уходящими газами можно определить как разность теплосодержаний уходящих из котла газов и холодного воздуха
Q2 = Qух – Qв.
Для приближенных расчетов g2 можно пользоваться формулой
g2 = 0,01g2′(tух – tв), (1.17)
где tух, tв – соответственно температура уходящих газов и холодного воздуха, 0С; g2′ – см. таблицу:
Топливо g2′
Древесина 3,75αух + 0,9
Торф 3,95αух + 1,0
Бурые угли 3,85αух + 0,55
Каменные угли 3,63αух + 0,2
Антрациты 3,66αух + 0,1 Мазуты:
механическое распыливание 3,63αух + 0,2
паровое распыливание 3,63αух + 0,4
Природный газ 3,63αух + 0,2
Даже при достаточно низкой температуре уходящих газов 110 – 120 0С величина g2 составляет не менее 8 – 10 %.
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 g3 близка к нулю. Но в котлах со слоевыми топками и ручной заброской топлива (ручные топки) организовать полное сгорание топлива невозможно. В этом случае потери g3 могут составлять, %, в зависимости от вида топлива:
антрациты………………………...2,0;
каменные угли..……………… ..... 3,0;
бурые угли.………………………3,5;
торф.……………………………...3,0;
щепа..……………………………..2,5;
дрова..…………………………….3,0.
Потеря тепла от механической неполноты сгорания g4 обусловливается недожогом топлива в шлаках, уносе (золе). Применительно к самым несовершенным топкам величина g4 составляет от 7 до 12 %.
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 обратно пропорционально.
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
η = 100Q1/Qрн , (1.18)
по обратному тепловому балансу
η = 100 – ∑g, (1.19)
где ∑g – сумма тепловых потерь котла, %.
Для ручной топки η котла приближенно составит с учетом выше сделанных оценок
η = 100 – 9 – 3,5 – 11 – 3 – 1 = 72,5 %.
Коэффициент полезного действия, %, учитывающий расходы электроэнергии и тепла на собственные нужды, называется КПД нетто:
ηн = η – gсн, (1.20)
где gсн – общий расход энергии (электрической и тепловой) на собственные нужды котла, отнесенный к располагаемому теплу, %.
Нормативы расходов тепла на собственные нужды, в % от номинальной нагрузки котельной, составляют: газообразное топливо – 2,3 - 2,4; слоевые и факельно-слоевые топки – 5,1 - 2,6; жидкое топливо – 9,7 - 3,9.
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, как правило, не более
ηн = 72,5 – 5 – 1,7 = 65,8 %, т. е. полезно используется только около половины сжигаемого топлива.
- 1,12; дров любой влажности - 1,05; торфа (Wр = 40 
