Раздел 3. Промышленная теплотехника

Дата добавления: 2014-05-20 | Просмотров: 1636

1Топливо и основы теории горения

Топливо, горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.

В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота, различают органическое и ядерное топливо. В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих элементов при участии кислорода, а в ядерных топливах – в результате деления ядер тяжелых элементов.

Основным источником теплоты в настоящее время является органическое топливо – твердое, жидкое, газообразное. К твердым топливам относятся: уголь (антрацит, каменный, бурый), торф, сланцы. К жидким топливам относятся продукты переработки нефти: бензин, керосин, мазут. К газообразным топливам относятся: природный газ, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства.

Твердое и жидкое топливо состоит из горючих и негорючих элементов. К горючим элементам топлива относятся углерод – С, водород – Н и сера – S. Сера содержится в топливе в различных соединениях: сульфатная, колчеданная и органическая. Сульфатная сера является негорючей и входит в состав золы. К негорючим элементам топлива относятся кислород – О, азот – N, зола – А и влага – W. Кислород и азот не участвующий в горении и являются внутренним балластом топлива. Зола представляет собой смесь негорючих минеральных соединений, которые остаются после сгорания топлива. Влага, содержащаяся в топливе, снижает его тепловую ценность, поскольку требует теплоты на ее удаление. Зола и влага являются внешним балластом топлива.

Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива.

Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания, называется рабочей массой топлива. Элементарный состав рабочей массы (индекс «р») топлива приведен ниже:

С^р + Н^р + S^p + N^p + О^р + A^p + W^p = 100 %.

Составом топлива на рабочую массу обычно пользуются при расчетах процессов горения топлива.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. В состав горючей части входят предельные (С_nH_2n+2) и непредельные (С_nH_2n) углеводородов, водород (Н₂), окись углерода (СО) и сернистый водород (Н₂S). В состав негорючих части входит азот (N₂) , углекислый газ (СO₂) и кислород (О₂). Состав природного и искусственного газообразного топлива различен. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH₄), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С₂H₆), пропана (С₃H₈), бутана (С₄H₁₀), этилена (С₂H₄), и пропилена (С₃H₆). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислый газ – 55-75%.

Состав газообразного топлива задается в объемных долях и в общем виде может быть представлен следующим образом:

SС_nH_2n+2 + SС_nH_2n + Н₂ + СО + Н₂S + О₂ + N₂ + CО₂ = 100%.

Важной характеристикой топлива является теплота сгорания. Под теплотой сгорания понимают количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы количества топлива (для твердого или жидкого топлива 1 кг, для газообразного 1 м³). Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания Q^р_в называется количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива с учетом теплоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водорода – Н^р и испарении влаги топлива – W^p.

Низшей теплотой сгорания Q^р_н называется теплота сгорания топлива при условии, что влага, образующаяся при сгорании водорода, и испарении влаги топлива находятся в парообразном состоянии.

Теплоту сгорания топлива определяют лабораторным путем и приводят в справочниках. Для углей Q^р_н = 10-23 МДж/кг, для мазута Q^р_н = 38-40 МДж/кг, для природного газа (на сухую массу) Q^с_н = 35-37 МДж/м³.

Для сравнения энергетической ценности различных видов топлива вводится понятие условного топлива (у.т.), теплота сгорания которого принята равной Q_усл = 29,33 МДж/кг.

При известном элементарном составе твердого и жидкого топлива (в %) теплоту сгорания можно определить по эмпирическим формулам, предложенным Менделеевым, кДж/кг:

Q^p_н = 340С^р + 1035Н^р – 109(О^р – S^р_л) – 25W^р, Q^p_в = 340С^р + 1260Н^р – 109(О^р – S^р_л).

Теплоту сгорания сухого газа определяют по объемному составу (в %) и известной теплоте сгорания компонентов, кДж/м³:

Q^p_н = 358СН₄ + 637С₂Н₆ + 912С₃Н₈ + 1186С₄Н₁₀ + 1460С₅Н₁₂ + 126,8СО + 108,3Н₂ + 234,6Н₂S

Физические основы процесса горения топлива.

Горение топлива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты. Окислителем служит кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы: 1). гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ + газ"); 2). гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело + газ" или "жидкость + газ").
Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.

Горение газообразного топлива. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подают вначале в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения.
Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. В этом случае газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.
Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: от 550К у торфа, до 1070К у антрацита.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получил метод сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить сгорание топлива и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии: 1) нагревание и испарение топлива; 2) образование горючей смеси; 3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.); 4) собственно горение смеси.

Расчет процессов горения топлива.

Расход воздуха на сжигание топлива.

Все расчеты процессов горения топлива ведутся на основе стехиометрических уравнений реакции горения:

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + O₂ = SO₂.

Из уравнений видно, что для сжигания 12 кг углерода необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 44 кг СО₂. Для сжигания 4 кг водорода необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 36 кг водяного пара. Для сжигания 32 кг серы необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 64 кг SО₂. Следовательно, для полного сгорания 1 кг углерода теоретически требуется затратить 32/12 = 2,67 кг кислорода, для 1 кг водорода 32/4 = 8 кг О₂, а для 1 кг серы 32/32 = 1 кг О₂. Часть кислорода содержится в топливе (0,01О^р кг/кг), остальное, в количестве М_O2 = 0,01(2,67С^р + 8Н^р + S^p – О^р) кг/кг нужно подать с воздухом. Если учесть, что массовая доля кислорода в воздухе 0,231, а плотность воздуха при нормальных условиях 1,293 кг/м³, то получим объем воздуха теоретически необходимого для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

V⁰ = M_O2/0,231×1,293 = 0,0889(С^р + 0,375S^p) +0,265Н^р – 0,0333О^р.

По аналогии можно получить формулу для определения расхода воздуха при сжигании газообразного топлива, м³/м³:

.

На практике не удается осуществить полное горение топлива с теоретическим количеством воздуха. Это объясняется неравномерной подачей воздуха, недостаточным перемешиванием воздуха с топливом, несовершенством топочных устройств и т. д.

Для достижения более полного горения топлива воздух в топочную камеру подают с избытком. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому – V⁰ называется коэффициентом избытка воздуха:

a = V/V⁰ > 1,

откуда действительный объем воздуха необходимого для сжигания топлива V = a× V⁰.

Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа сжигания колеблется в пределах 1,05-1,6. Чем лучше смешивание топлива с воздухом, тем меньше a.

Состав и объем продуктов сгорания топлива.

В результате полного сжигания топлива в теоретических условиях образуются продукты сгорания, состоящие из диоксида углерода – CO₂, водяного пара – H₂O, диоксида серы – SO₂, азота – N₂. CO₂ и SO₂ принято объединять и называть «сухие трехатомные газы», обозначая RO₂.

Объемы продуктов сгорания определяют на основании стехиометрических уравнений (как и объем воздуха необходимый для горения). Например, при сжигании 1 кг углерода образуется 44/12 = 3,67 кг СО₂ и т.д. Для упрощения расчетов серу замещают эквивалентным количеством углерода . Далее учитывая, что плотность СО₂ равна 1,977 кг/м³ получим объем трехатомных газов, м³/кг:

.

Объем азота в продуктах сгорания складывается из объема азота, содержащегося в подаваемом воздухе, и азота содержащегося в топливе. Окончательно:

.

Наличие водяных паров в продуктах сгорания обусловлено горением водорода, испарением влаги топлива и влаги поступающей с воздухом (влагосодержание воздуха принимается d = 10 г/кг). Тогда теоретический объем водяных паров равен:

.

Аналогично получают формулы для расчета продуктов сгорания газообразного топлива.

С учетом избытка воздуха, подаваемого для горения, действительный объем продуктов сгорания будет больше и рассчитывается по формуле:

.

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

При расчетах принято относить энтальпию воздуха и продуктов сгорания к 1 кг твердого или жидкого топлива, или к 1 м³ газообразного топлива.

Энтальпия теоретического количества воздуха, кДж/кг или кДж/м³:

,

где С_в - объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³К);

J - температура продуктов сгорания, ^оС.

Энтальпия продуктов сгорания определяется как сумма энтальпий всех составляющих газов:

,

где ­– энтальпия теоретического объема продуктов сгорания

;

С - объемная теплоемкость соответствующих газов, кДж/(м³К).