Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Программа'
В МОУ «Петелинская ООШ» поступают дети из различных типов учебных заведений: коррекционных школ, школ-интернатов, общеобразовательных школ, лицеев гим...полностью>>
'Рабочая программа'
Программа конкретизирует содержание предметных тем образовательного стандарта, дает примерное распределение учебных часов по разделам курса и рекоменд...полностью>>
'Сценарий'
Есть два рода художников. Одни на протяжении творческого пути неоднократно меняют характер своего письма, другие, напротив, без малейшего отклонения в...полностью>>
'Документ'
Важным при решении практических задач является выбор системы отсчета давления (шкалы давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный нуль давл...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

ТЕМА 3

ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА

3.1. Общие сведения о горении топлива.

3.2. Элементы теории горения топлива.

3.3. Материальный баланс горения.

3.4. Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания.

3.5. Коэффициент избытка воздуха и действительный объем

продуктов сгорания.

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

С + О2 = СО2;

12 кг + 32 кг = 44 кг.

  • при горении водорода

2 + О2 = 2Н2О;

4 кг + 32 кг = 36 кг.

  • при горении серы

S + O2 = SO2.

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 + О2 = 2СО2;

56 кг + 32 кг = 88 кг.

Реакция горения сероводорода имеет вид:

2H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2;

68 кг + 96 кг = 36 кг + 128 кг.

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

CmHn + (m + n/4)O2 = mCO2 + n/2H2O.

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 м3 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 м3 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 СР/100 кг углерода, НР/100 кг водорода, SРл/100 кг серы (летучей) и OР/100 кг кислорода, то для сжигания твердого и жидкого топлива теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания (м3 воздуха/кг топлива), определяется по формуле:

а при сжигании газообразного топлива, состав которого задан процентным содержанием отдельных горючих газов, – по формуле (м3 воздуха/м3 газа):

.

Из приведенных уравнений ясно, что теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива, зависит только от его химического состава.

При полном сжигании топлива в теоретических условиях образуются продукты сгорания, представляющие собой газовую смесь, состоящую из СО2, SO2, N2, Н2О. Диоксид углерода и сернистый ангидрид принято объединять и называть «сухие трехатомные газы», обозначая через RO2, т.е.

RO2 = CO2 + SО2.

Теоретический объем азота в продуктах сгорания (м3/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 (м3/кг):

.

В уравнении влагосодержание воздуха d0 = 10 г/кг.

При сжигании газообразного топлива теоретический объем трёхатомных газов (м33):

.

Теоретический объем азота (м33):

.

Теоретический объем водяных паров (м3/ м3):

,

где dГ.ТЛ. – влагосодержание газообразного топлива, г/м3.

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 (VД), поданного для горения, к теоретически необходимому количеству воздуха (V0) называется коэффициентом избытка воздуха:

α = VД/V0.

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. %) RО2, О2, СО, Н2, СН4 по отношению к объему сухих газов, а при упрощённом анализе – содержание только RO2 и O2.

При упрощенном анализе продуктов сгорания с определением только RО2 и О2 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 (м3/кг или м33):

.

Суммарный объем продуктов сгорания (м3/кг или м33):

.

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 м3 (при нормальных условиях) газообразного топлива.

Энтальпия действительного количества воздуха, поданного для горения (кДж/кг или кДж/м3), определяется по формуле:

,

где – энтальпия теоретического количества воздуха, необходимого для горения, кДж/кг или кДж/м3; СВ удельная теплоемкость влажного воздуха, кДж/(м3К), может приниматься равной удельной теплоемкости сухого воздуха; tВ – температура воздуха, С.

Энтальпию действительного объема продуктов сгорания определяют как сумму энтальпий теоретического объема продуктов сгорания и избыточного воздуха (кДж/кг или кДж/м3):

.

Энтальпия теоретического объема продуктов сгорания (кДж/кг или кДж/м3), представляющих собой смесь газов, при температуре :

,

где – соответственно энтальпия 1 м3 трехатомных газов, азота и водяных паров; – температура продуктов сгорания, °С.

Энтальпия избыточного воздуха в продуктах сгорания (кДж/кг или кДж/м3) при температуре:

,

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

При сжигании твердых топлив с высокой зольностью

> 1,4102 кг/МДж

учитывается энтальпия золы (кДж/кг)

,

где – доля золы топлива в уносе; сзл 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 м3 газа при нормальных условиях, м3/кг или м33.

При тепловом расчете присосы воздуха принимаются по нормативным данным.

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

,

где i – номер поверхности нагрева после топки по ходу продуктов горения; αТ – 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.



Похожие документы:

  1. Методическое пособие по выполнению контрольной работы для слушателей заочной формы обучения специальность 280104. 65 «Пожарная безопасность»

    Методическое пособие
    ... полученных выше расчетных значений теоретический объем воздуха для сгорания заданной массы (m) вещества ... воздуха 1,3, следовательно, в состав продуктов горения будет входить избыточный воздух. По формуле (2.8) определяем теоретический объем воздуха ...
  2. Теоретические основы теплотехники тепломассобмен

    Программа
    ... Кафедра теоретических основ теплотехники ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ... Вода Воздух Вода Воздух Вода Воздух Воздух Воздух Вода ... к которым можно отнести продукты сгорания органических топлив, подробно изложены ... (7) где Vг – объем, занимаемый газовой средой; Fг ...
  3. Курс лекций для специальности 140104 москва 2011

    Документ
    ... – серый ближе к темному, непрозрачный. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания зависит от объема, теплоемкости и температуры ... параметры топлива: элементарный состав, теплота сгорания, теоретический объем воздуха и дымовых газов и др. приведены в [5, ...
  4. Конспект лекций по теме: «Материаловедение» для специальности 120100 "Технология машиностроения" (Объем лекций 80 часа)

    Конспект лекций
    ... охлаждения чистого металла   – теоретическая температура кристаллизации; . – ... объ¨м был заполнен. Полезный объем печи – объем ... 2000 0С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным ... , подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах ...
  5. Методические указания к выполнению курсового проекта ”расчёт воздухонагревателя доменной печи” по дисциплине «Теплотехника» для студентов специальности «Металлургия чугуна»

    Методические указания
    ... топлива. Количество водяного пара (по объему) при влажности W: , (4.1) Для газообразного топлива ... 0,42 2,71 100% 4.1.3 Расчет количества воздуха и продуктов сгорания Теоретически необходимое для сжигания 1м3 газообразного ...

Другие похожие документы..