3 Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания

3.4. Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания.

3.5. Коэффициент избытка воздуха и действительный объем

3.6. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

3.7. Основные характеристики, используемые при тепловом расчёте котельных агрегатов.

3.1. Общие сведения о горении топлива

Горючие элементы топлива при соприкосновении с кислородом окисляются. В качестве окислителя чаще всего используется атмосферный воздух. Окисление горючих элементов топлива может происходить с различной скоростью. При медленном окислении процесс протекает в области низких температур. Так, например, молодые твердые топлива под воздействием воздуха при длительном хранении медленно окисляются. При быстром окислении процесс протекает в области высоких температур и сопровождается свечением различной яркости. При сверхбыстром окислении происходит весьма сложный, специфический процесс, называемый детонацией.

В промышленных огневых установках происходит процесс быстрого окисления горючих элементов топлива и развиваются высокие температуры. Этот процесс называют горением. В нем сочетаются сложные физические и химические явления. Сложность заключается в том, что два вещества, совершенно устойчивые в молекулярном отношении, должны прореагировать между собой так, чтобы развились высокие температуры и образовалось новое вещество, также устойчивое в молекулярном отношении. Образовавшееся новое вещество называют продуктом сгорания .

Горелкой называется устройство, предназначенное для подачи готовой горючей смеси или смеси, образующейся в самой горелке, а также для стабилизации фронта воспламенения. Устройство, предназначенное для завершения процесса горения и изоляции его от внешних условий, называется топочной камерой . Система горелок в сочетании с топочной камерой называется топочным устройством или просто топкой . Непрерывный процесс подготовки, воспламенения и горения топлива осуществляется в горелке и топочной камере, через которые проходит поток топлива, воздуха и продуктов горения.

Наука, изучающая движение газовых потоков и их взаимодействие, называется аэродинамикой . Законы аэродинамики играют важную роль в процессе горения. Кроме того, в топочной камере происходят процессы теплообмена между горящим топливом и ограждающими поверхностями. Таким образом, процесс горения зависит от большого числа различных факторов, взаимосвязанных и влияющих друг на друга. В зависимости от того, какие факторы являются определяющими, при горении различают две области протекания процесса: кинетическую и диффузионную.

При протекании горения в кинетической области определяющими являются химические явления: температура и концентрация топлива или окислителя в горючей смеси. Здесь продолжительность горения практически определяется временем, необходимым для завершения химических реакций.

При протекании горения в диффузионной области определяющими являются физические факторы, и прежде всего смесеобразование. Продолжительность горения в диффузионной области практически определяется временем, необходимым для завершения смесеобразовательных процессов.

3.2. Элементы теории горения топлива

Согласно современной теории процесс горения имеет явно выраженный поточный характер и может быть расчленен на последовательные зоны.

При горении наиболее сложного твердого топлива зоны эти следующие: подготовка топлива к вводу в топку; создание первичной топливно-воздушной смеси; огневая газификация и образование истинной горючей смеси, способной немедленно вступить в процесс горения. При этом неоднородность состава первичной топливно-воздушной смеси, неравномерность распределения скоростей, концентраций и температур в объеме топки не позволят четко выделить эти зоны в топочном пространстве. Они накладываются друг на друга по протяженности и в пространстве, т.е. имеют сложный, объемный характер. В зависимости от вида топлива и способа его сжигания отдельные зоны (стадии) горения могут отсутствовать.

В основу первичной классификации топочных устройств в настоящее время положен аэродинамический принцип организации процесса. Исходя из этого принципа, все топочные процессы разделяются на три типа: слоевой, факельный и вихревой. На рис. 3.1 показаны аэродинамические схемы топок.

Рис. 3.1. Аэродинамические схемы топок:

а – слоевая; б – факельная; в – вихревая;

I – первичный воздух; II – вторичный воздух; Т – топливо

В слоевой топке может сжигаться только твердое топливо, а в факельной и вихревой – любое (твердое, жидкое, газообразное). Рассмотрим отдельные зоны горения применительно к виду сжигаемого топлива и типу топки.

В зоне предварительной подготовки топлива к вводу в топку при сжигании твердого топлива производится сортировка по фракциям и дробление, а при факельном сжигании – дополнительно и размол. Эта зона необходима для облегчения и ускорения газификации, так как увеличивается поверхность соприкосновения топлива с окислителем. При сжигании жидкого и газообразного топлива надобность в его предварительной подготовке отпадает.

3.3. Материальный баланс горения

Под материальным балансом горения понимают равенство между массой участвующих в процессе горючих элементов топлива и окислителя и массой образовавшихся продуктов сгорания. При составлении материального баланса горения твердого, жидкого и газообразного топлива используют элементарные реакции окисления горючих элементов и газов, предполагая, что входящие в состав топлива горючие элементы полностью окисляются, превращаясь в инертные газы.

При сжигании твердого и жидкого топлива схемы реакций горения элементов могут быть представлены:

при полном сгорании углерода

12 кг + 32 кг = 44 кг.

при горении водорода

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О;

4 кг + 32 кг = 36 кг.

при горении серы

32 кг + 32 кг = 64 кг.

Из уравнений материального баланса приведенных элементарных реакций определяются массовые расходы кислорода и продуктов сгорания на 1 кг горючего элемента. Зная плотность кислорода и продуктов сгорания, можно определить их объем при нормальных условиях (давление 101,08 кПа, температура 0 °С).

При сжигании газообразного топлива протекают реакции горения водорода, оксида углерода, сернистого газа, углеводородов. Реакция горения оксида углерода такова:

2СО + О 2 = 2СО 2 ;

56 кг + 32 кг = 88 кг.

Реакция горения сероводорода имеет вид:

2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2 ;

68 кг + 96 кг = 36 кг + 128 кг.

Горение углеводородов С m Н n (m – число атомов углерода, n – число атомов водорода) может быть представлено уравнением:

C m H n + (m + n/4)O 2 = mCO 2 + n/2H 2 O.

Материальный баланс приведенных элементарных реакций при горении горючих газов, входящих в состав газообразного топлива, позволяет определить массовый расход кислорода и количество продуктов реакции, приходящееся на 1 кг газа. Расчеты, связанные с горением газа, ведутся на 1 м 3 горючего газа при нормальных условиях. Зная плотность кислорода, продуктов реакции и горючего газа, можно определить их объем при нормальных условиях.

В качестве примера рассмотрим определение количества кислорода и воздуха, необходимого для горения сероводорода. Если для горения 68 кг сероводорода требуется 96 кг кислорода, то для горения 1 кг сероводорода потребуется 96/68 =1,41 кг кислорода. Объем кислорода, необходимый для горения 1 м³ сероводорода, составит 1,411,52/1,429 = 1,5 м³; соответственно объем воздуха 1,5/0,21 = 7,14 м³. Производя аналогичные расчеты для каждого горючего газа, получим расход окислителя и количество продуктов сгорания.

3.4. Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания

При сжигании топлива в топках паровых и водогрейных котлоагрегатов в качестве окислителя используется воздух. Зная количество воздуха, необходимое для горения 1 кг каждого горючего элемента твердого и жидкого топлива или 1 м 3 каждого горючего газа, вводящего в газообразное топливо, можно определить теоретическое общее количество воздуха, необходимое для горения всех горючих элементов. Так как в 1 кг рабочей массы топлива содержится С Р /100 кг углерода, Н Р /100 кг водорода, S Р л /100 кг серы (летучей) и O Р /100 кг кислорода, то для сжигания твердого и жидкого топлива теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания (м 3 воздуха/кг топлива), определяется по формуле:

а при сжигании газообразного топлива, состав которого задан процентным содержанием отдельных горючих газов, – по формуле (м 3 воздуха/м 3 газа):

Из приведенных уравнений ясно, что теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м 3 газообразного топлива, зависит только от его химического состава.

При полном сжигании топлива в теоретических условиях образуются продукты сгорания, представляющие собой газовую смесь, состоящую из СО 2 , SO 2 , N 2 , Н 2 О. Диоксид углерода и сернистый ангидрид принято объединять и называть «сухие трехатомные газы», обозначая через RO 2 , т.е.

RO 2 = CO 2 + SО 2 .

Теоретический объем азота в продуктах сгорания (м 3 /кг):

Наличие водяных паров в продуктах сгорания обусловлено горением водорода и испарением влаги, содержащейся в топливе, а также влаги, поступающей вместе с воздухом.

Теоретический объем водяных паров (м 3 /кг):

В уравнении влагосодержание воздуха d 0 = 10 г/кг.

При сжигании газообразного топлива теоретический объем трёхатомных газов (м 3 /м 3 ):

Теоретический объем азота (м 3 /м 3 ):

Теоретический объем водяных паров (м 3 / м 3 ):

где d Г.ТЛ. – влагосодержание газообразного топлива, г/м 3 .

3.5. Коэффициент избытка воздуха

и действительный объем продуктов сгорания

В реальных топочных камерах для экономичного сжигания топлива приходится подавать воздуха больше, чем это теоретически необходимо. Отношение действительного количества воздуха (V Д ) , поданного для горения, к теоретически необходимому количеству воздуха (V 0 ) называется коэффициентом избытка воздуха:

Коэффициент избытка воздуха в значительной мере характеризует совершенство организации процесса горения в реальных условиях по сравнению с теоретическими. Очевидно, что чем ближе действительный расход воздуха к теоретическому (α →1), без снижения экономичности сжигания топлива, тем совершеннее конструкция топочного устройства и экономичнее топочный процесс.

При эксплуатации и испытании топочных устройств коэффициент избытка воздуха определяют экспериментально, а при расчетах – принимают по нормативным данным. В современных топках в зависимости от способа сжигания топлива, его вида и конструкции топочного устройства коэффициент избытка воздуха принимают в пределах от 1,05 до 1,60.

Коэффициент избытка воздуха на работающем котельном агрегате определяют по составу продуктов сгорания, анализ которых производят специальными средствами измерения, называемыми газоанализаторами. При полном анализе продуктов сгорания в них определяют содержание (объемн. %) RО 2 , О 2 , СО, Н 2 , СН 4 по отношению к объему сухих газов, а при упрощённом анализе – содержание только RO 2 и O 2 .

При упрощенном анализе продуктов сгорания с определением только RО 2 и О 2 и полном горении коэффициент избытка воздуха может определяться по «кислородной» формуле:

Увеличение количества воздуха, подаваемого в топку, по сравнению с теоретически необходимым, приводит к возрастанию объема продуктов сгорания относительно теоретического (минимального), рассчитанного на основании элементарных химических реакций. При этом избыточный воздух в процессе горения участия не принимает, а объем продуктов сгорания увеличивается за счет двухатомных газов (азота и кислорода). Теоретический объем тpёxатомных газов ( ) остается неизменным.

Следовательно, действительный объем сухих газов при полном горении:

Действительный объем водяных паров (м 3 /кг или м 3 /м 3 ):

Суммарный объем продуктов сгорания (м 3 /кг или м 3 /м 3 ):

3.6. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания

Количество теплоты (кДж), содержащееся в воздухе или продуктах сгорания, называют теплосодержанием (энтальпией) воздуха и продуктов сгорания. При выполнении расчетов принято энтальпию воздуха и продуктов сгорания относить к 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива и к 1 м 3 (при нормальных условиях) газообразного топлива.

Энтальпия действительного количества воздуха, поданного для горения (кДж/кг или кДж/м 3 ), определяется по формуле:

где – энтальпия теоретического количества воздуха, необходимого для горения, кДж/кг или кДж/м 3 ; С В – удельная теплоемкость влажного воздуха, кДж/(м 3 К), может приниматься равной удельной теплоемкости сухого воздуха; t В – температура воздуха, С.

Энтальпию действительного объема продуктов сгорания определяют как сумму энтальпий теоретического объема продуктов сгорания и избыточного воздуха (кДж/кг или кДж/м 3 ):

Энтальпия теоретического объема продуктов сгорания (кДж/кг или кДж/м 3 ), представляющих собой смесь газов, при температуре :

где – соответственно энтальпия 1 м 3 трехатомных газов, азота и водяных паров; – температура продуктов сгорания, °С.

Энтальпия избыточного воздуха в продуктах сгорания (кДж/кг или кДж/м 3 ) при температуре :

где – коэффициент избытка воздуха после соответствующего газохода парового или водогрейного котла.

учитывается энтальпия золы (кДж/кг)

где – доля золы топлива в уносе; с зл – удельная теплоемкость золы, кДж/(кгК).

Для промышленных паровых и водогрейных котлов, использующих топлива с невысокой зольностью, энтальпия золы мала и при расчетах может не учитываться.

3.7. Основные характеристики,

используемые при тепловом расчёте котельных агрегатов

При тепловом расчете паровых и водогрейных котлов определяются теоретические и действительные объёмы воздуха и продуктов сгорания, а также их энтальпии.

Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходит присос атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расчетах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают равной 30 °С.

Присос воздуха принято выражать в долях теоретического количества воздуха, необходимого для горения:

где – количество воздуха, присасываемого в соответствующий газоход агрегата, приходящееся на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м 3 газа при нормальных условиях, м 3 /кг или м 3 /м 3 .

При тепловом расчете присосы воздуха принимаются по нормативным данным.

Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева после топочной камеры подсчитывается прибавлением к α Т соответствующих присосов воздуха:

где i – номер поверхности нагрева после топки по ходу продуктов горения; α Т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки.

Расчет действительных объемов продуктов сгорания по газоходам агрегата обычно сводится в таблицу, в которой указываются также объемные доли трехатомных газов и водяных паров, необходимые в последующих расчетах.

Расчёт энтальпии продуктов сгорания при действительных коэффициентах избытка воздуха рекомендуется представлять в табличной форме.