Котельные установки

ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

ДЛя реШения технических задач, связанных с сжиганием топлива, неоШодимоГуметь-сводить материальные балансы по стехиометрическим уравнениям. Продуктами-полного сгорания топлИва является двуокись углерода—СОг, сернисТый газ БОз И ЭДдяиыеГ парыРШХ’’Кроме’ зрго, тоШбн^таМЖ проДуктов Сгорания Топлива являются азот ^содержав­шийся в топливе и атмосферном воздухе, и избБ1Товдыи~1ислород Ог, Который содержится в продуктах сгорания топлива, потому процесс горения протекает не идеально и связан с необходимостью- подачи большего, чем теоретически необходимо, количества воздуха.

По уравнениям реакций окисления горючих элементов топлива, зная их молекулярную массу, плотность и объемы, можно найти массу и объем продуктов полного сгорания. Наиболее удобно проводить рас­четы, исходя из значений массы молекул (молей), величины которых для горючих элементов топлива приведены в табл. 2-3.

При полном сгорании углерода образуется

С+02=С02; (2-11)

12,01 кг С+32,00 кг 02=44,01 кгС02

Или при сгорании

« л г 32 ■ /-V 44,61 рл

I КГ С-4- 12^01 кг 0»= 12701 КГ СО**

Чему соответствует

1 кгС+2,67 кг02=3,67 кгСОг. (2-12)

Для получения продуктов сгорания в объемных единицах разделим полученную массу на плотность каждого газа:

1 кгС + _ОТ°’==Т^С0*> или 1 кг С + 1.866 м* О, = 1,866 м* СО,,

(2-13)

Т. е. при сжигании 1 кг углерода требуется 1,866 м3 кислорода и обра­зуется 1,866 м3 двуокиси углерода.

При неполном горении углерода таким же путем образуется:

С+-^=СО; (2-14)

12 кг С + 16 кг Ог = 28 кг СО; 1 кг С +1,33 кг О, =2,33 кг СО;

1 кгС+Т^°г==-ПЖС0; 1 кг С + 0,933 м*Ог= 1,866 м* СО, (2-15)

Т. е. при неполном сжигании 1 кг углерода в окись углерода требуется 0,938 м3 кислорода и образуется 1,866 м3 окиси углерода.

При горении серы аналогично получаем:

8+02=802; (2-16)

32,06 Кг 8 + 32,00 Кг 02 = 64,06 Кг Э02;

1 кгБ-р 1 кгО,=2 кгБ02;

1 Кгв-] ^428 О* = 2,858 ИЛИ

1 Кг 8 + 0,7 м* О,=0,7 м* 80*. (2-17)

Т. е. при полном сгорании 1 кг серы необходимо 0,70 м8 кислорода и образуется 0,70 м3 сернистого газа.

При окислении — горении водорода имеем:

2Нг+02=2Нг0; (2-18)

4,034 кгНг+32,00 кг 02=36,032 кгНгО;

1кг Н2+8кгОа=9 кг НЮ;

8^9

Н20; 1 кгН2 + 5,6 м* 02 = 11,2 М*Н20, (2-19)

Т. е. при полном сгорании 1 кг водорода требуется 5,60 м3 кислорода и образуется 11,20 м3 водяного пара.

Выполненные подсчеты позволяют перейти к определениЮ Теорети­чески - Крличества воздуха, помня о том, что

Тг

10() ЮО 141

Летучей и имеется кг кислорода. В пересчете на рабочее топливо

Исходя из уравнений (2-11) — (2-19) суммарное количество необходимого, для горения кислорода, кг/кг, равно:

SHAPE \* MERGEFORMAT

Ог = 2,67^+1,00^ + 8 №

100

Если вспомнить, что 1 м3 кислорода при нормальных условиях ве­сит 1,428 кг, а в воздухе содержится по объему кислорода ^21 %, то, разделив каждый из коэффициентов в выражении (2-20) на величину 1,428*0,21-100^30, получим количество теоретически необходимого воз­духа для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м3/кг:

1/о _ о,0889Ср+0,265№+0,033 (вРп—Ор) .

В случае сжигания газообразного топлива количество теоретически необходимого воздуха находят, исходя из стехиометрических уравнений

Таблица 2-3.

Реакций горения компонентов газообразного топлива. При этом прини­мают, что объем одного моля компонентов, как и у идеальных газов, одинаков. Тогда при горении:

Окиси углерода

СО+0,502=С02; 1 м3СО + 0,5 м302=1 м3С02;

Водорода

Н2+0,5О2=НгО; 1 М3Н2+0,5 М302=1 М3Н20;

Сероводорода

Н28+1,502=Н20 + 502; 1 м3 Н25 +

+1,5 м302=1 м3Н20-Н м3БСЫ

Углеводородов

С„нт + (я+^-)о2-«со2+^- НА

1м3С„Нт+(я + -^) м80г=ям*-С02 + -|-м»Н20 и т. д.

Иначе говоря, исходя из реакций полного горения составляющих газообразного топлива, следует, что каждый 1 м3СО требует 0,5 м3 Ог и после реакции образуется 1 м*СОа.

Подобные рассуждения можно повторить и для всех других состав­ляющих газообразного топлива и найти количество кислорода и воз­духа, потребного для горения. Если помнить, что количество горючих газов в топливе выражено в процентах, потребное количество кислоро­да, м3/м3, будет:

0°, = 0,01 (0,5 СО + 0,5 Н2 + 1,5На8 + 2 (я -+ -£-) С„Нт - 02 и количество воздуха, м’/м3, составит:

V0 = 0,0476 (0,5 СО + 0,5Н2 +1,5 НД+ 2 (п + С„Нт - 02. (2-22)

Для полного сгорания топлива в топочные устройства подводят большее, чем теоретически необходимо, количество воздуха. Отноше­ние действительно поступившего количества воздуха Уд к теоретиче­ски необходимому количеству V0 называют к о э Ф |ф и Цямтом бытка воздуха и обозначают через а:

А=Уд/У°. (2-23)

Величина коэффициента избытка воздуха для современных топоч­ных устройств колеблется от 1,02 до 1,45—1,70.

Азот N2, вводимый с воздухом в топочное устройство, не участвует в процессе горения топлива, но при высоких температурах, близких к температуре горения топлива и температуре газов на выходе из топоч­ной камеры, и при определенных соотношениях Ыг/Ог дает весьма ток - сичные окислы азота, вредно действующие «на биосферу. Если прене­бречь в первом приближении образованием окислов азота, то можно написать следующее отношение:

Содержание азота Ы2 в воздухе, поступившем в топочную камеру, можно представить как сумму Ы2=№2 + Ы*, где №г — теоретическое, а Ы* — избыточное количество азота, выраженное в процентах.

Тогда коэффициент избытка воздуха можно представить как

(2-25)

Выражая величину содержания азота в полном количестве воздуха через количество избыточного кислорода, получаем:

02 21 79 ~

——=-^г и соответственно N =^02.

К« 79 2 21 2

Тогда коэффициент избытка воздуха, поступающего в топочное устройство, будет:

А =------- =--------------- ^-о-. (2-26)

N,--21-0, 21—79 N7

При полном сгорании топлива состав сухих дымовых газов (без водяных паров) можно определить по уравнению

100 % =С02+ БОгЧ - О2+N2 или 100 % =

=И02+ 02+N2, откуда

N2=100—(И02+02) где Н02=С02 + 502.

Подставляя в выражение (2-26) величину N2 = 100—< (И02 + 02), по­лучаем уравнение следующего вида:

21

(2-27)

О

2

21 — 79 ■

Содержание С02, Э02 и Ы2 в сухих продуктах сгорания выражают в процентах и определяют с помощью газоанализаторов. Анализ соста­ва продуктов сгорания в газоанализаторах волюмометрического типа основан на последовательном контакте дымовых газов с реактивами, в результате которого поглощаются двуокись углерода, сернистый газ, кислород. Водород и другие горючие газы и менее точно окись углерода определяют методом дожигания. Горючие газы могут находиться в ды­мовых газах лишь при неполном сгорании топлива, и содержание их целесообразно находить с помощью приборов, дающих более точные и быстрые результаты. К ним в первую очередь следует отнести хрома­тограф.

В хроматографе производится разделение газовой смеси на компоненты путем ее пропуска вместе с г азом-носителем через колонку, заполненную твердым адсорбентом. Вводя периодически анализируемую смесь газов в поток газоносителя, можно вслед­ствие разных изотерм адсорбции при контактировании с адсорбентом получить разде­ление смеси на составляющие. При пропускании газа-носителя с отделенной частью смеси через детектор можно найти процентное содержание окиси углерода, метана, во­дорода, обычно входящих в состав продуктов неполного горения.

Если в продуктах неполного сгорания содержится в основном окись углерода СО, то состав сухих дымовых газов будет: 100=Ы2 + И02+! + О2+СО. При замене СО потребным для его полного сгорания кисло - 4* 51

Родом, равным 0,500, можно получить следующее выражение для опре­деления содержания азота в полном количестве воздуха, поступающего в топочное устройство: Ыг=100—(ИОг+Ог—0,5СО).

Выражение для определения коэффициента избытка воздуха при наличии в дымовых газах СО будет:

А = Ог—О. бСО 79 0,-0,5СР <2‘28)

Г1 ~~ 'у 2 1 21 100 — (<*02 + 02 + СО

При наличии в продуктах сгорания, кроме окиси углерода, водо­рода, метана и других тяжелых углеводородов, что может иметь место при неполном сжигании природного или нефтепромыслового газа, жид­ких и твердых топлив, если знать их содержание в процентах, расчет­ное выражение для определения избытка воздуха принимает вид:

1

(2-29)

79 О* — 0,5 (СО + Н8) — 2СН4

1 — 21 №

N. - 0,431 - р - - 0*0., + СО + СН4)

Где СО, Нг, СН4 — их содержание в процентах, а /(Р=СР+0,3758РЛ, ®/0.

При полном сгорании топлива дымовые газы содержат лишь про­дукты полного окисления горючих элементов топлива — углерода, водо­рода и серы — С02, НгО и БОг; азот топлива и внесенный с воздухом N2; неисцользованный при горении кислород воздуха Ог; водяной пар НгО, полученный за счет окисления водорода топлива, испарения влаги, содержащейся в топливе, и внесенный с влажным воздухом. При паро­вом распыливании жидкого топлива также вносится некоторое количе­ство НгО в продукты сгорания.

Полный объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлива при - коэффициенте избытка воздуха, большем единицы, (м3/кг), будет со­стоять из перечисленных слагаемых:

+ + ^ + (2-30)

Продукты сгорания (м3/кг) принято подразделять на сухие газы и водяные пары:

Уг=1/сг+уНа0>

Так как в приборах волюмометрического типа, с помощью которых определяют состав дымовых газов до анализа, конденсируются водяные пары, а содержание трехатомных газов С02+502=Н02 дается сов­местно.

При полном сгорании 1кг углерода 'образуется 1,866 м* СО, 1СМ. стр. 48, 49), а 1 кг серы—0,7 м* БО,. В 1 кг рабочего топлива содержится углерода

Щ и серы щ кг, что дает при сгорании топлива следующий объем трех - атомных газов, м*/кг:

>,но.=1,со1+1'8о.=;1.866^+0,7^=1.866 (2.3|)

При сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (а=1) содержание кислорода в сухих дымовых газах будет равно нулю, их объем — минимальным или теоретическим и будет со­стоять из объема трехатомных газов и азота — из объемов азота, содер­жащегося в топливе, и азота, внесенного с воздухом.

.52 '

Объем азота, содержащегося в топливе, м3/кг, равен:

Мт — !__ о 008ЫР

^ * 100 1,251 ’ ^ •

Объем азота,- внесенного с воздухом, в котором содержание азота по объему равно 79%, м3/кг:

, Ы2=0,79У°+0,008№. | (2-32)

Обычно последним слагаемым в выражении (2-32) можно прене­бречь и считать, что

УК2=0,791Л>. (2-33)

При этих допущениях теоретический объем сухих газов, полученных от сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м3/кг, составит:

У°с-Г=УЯОг +УМ§ = 0,0187 (СР+0,3755РЛ) + 0,79Г. (2-34)

Полный объем сухих газов будет больше теоретического на коли­чество избыточного воздуха (а—1) V0, м3/кг. Следовательно, полный объем сухих дымовых газов, м3/кг, равен:

^с. г =^°с. г + (« — 1) У°=0,0187 (Ср+0,375БРЛ) + 0,791/°+ (а - 1) Vе, или

Ус. г = 0,0187/Ср+0,79У’+(а - )У°, (2-35)

Где

= Ср+0,3758рл.

При сжигании топлив в продуктах сгорания, кроме сухих газов, содержатся и водяные пары, их количество, полученное в результате окисления водорода топлива, м3/кг, составит:

V1------------ —__ _9№_ о ц щр

Н, о 100-0,804 80,4 •

В формуле:

9 — количество воды, полученной при окислении 1 кг водорода, кг;

0,804 — плотность 1 кг водяных паров при нормальных условиях, кг/м3 (см. табл. 2-3).

Количество водяных паров, полученных от испарения влаги топ­лива, м3/кг, составляет:

У, г — Ц7Р __ ГС7” _в 0124$ф

Н*о Ю0-0.804-'80,4

Количество влаги, содержащейся в воздухе, принимают равным 10 г на 1 кг воздуха. При а=1 количество водяных паров, м3/кг, будет равно:

Т/П1 __ <^,°Рвзд ___ 10-1,293 |^0___ о П1й11/°

Нао 100-0,804 804 — и’и1и** •

Количество влаги, вносимой в топку в виде водяных паров (напри­мер, для распыливания жидкого топлива), при расходе, кг/кг, топ­лива определяет дополнительный объем водяных паров, м3/кг:

Полный теоретический объем водяных паров в дымовых газах от сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м3/кг, является суммой указанных величин и равен:

1Г°На0 = 0,111 Нр + 0,016IV0 + 0,01241Гр + 1,241Гф.

Действительный объем водяных паров в дымовых газах будет боль­ше только за счет влаги, внесенной с избыточным воздухом. Представ­ляя выражение (2-36) в виде ^н, о=^н, о +0,0161 V0, получим, что дей­ствительное количество водянцх паров в дымовых газах при сжигании твердого или жидкого топлива, м3/кг, составит:

Чо=^нао+0,0161(а-1)Р.

Выше расчеты объемов воздуха и дымовых газов велись на 1 кг топлива. Иногда целесообразно определять, какое количество углерода следует сжечь для получения 1 м3 двуокиси углерода. Возвращаясь к выражению (2-13), можно видеть, что для получения 1 м3 двуокиси

Углерода требуется =0,536 кг углерода; тогда

В итоге сгорания углерода с образованием двуокиси и окиси угле­рода, м3/кг, получаем:

^соа + ^со ;

При сгорании серы на 1 м3 502 приходится -32^61|^---= 1,43 кт Брл и объем

V — ^Оа 100-1,43

(2-38)

При неполном горении объем сухих газов, м8/кг, будет: ^со. + ^со+^с,= °,+ 0-3га5Р--'(Р

53,6е

Далее можно подсчитать содержание в объемных процентах каж­дого из рассматриваемых выше (компонентов >в сухих газах:

(2-40)

И С02-(-802 = Шг. При неполном горении топлива

Ш2+со=-7с°.+У8°>+1/со . юо.

•'с. г

При полном горении 60 = 0 и Ус г= 53^0 • (2-41)

На работающем котлоагрегате величина ИОг в процентах определя­ется с помощью газоанализатора. Если бы горючими в топливе были только углерод и сера, а кислород в топливе не содержался, то при пол­ном сгорании указанного топлива с коэффициентом избытка воздуха а=1 процентное содержание трехатомных газов составило бы примерно 21 %, т. е.

1?02=-^-100^21«/в.

У с. г

При количестве кислорода в топливе, достаточном для окисле-

О*3

Ния всего водорода топлива, т. е. - д-= Нр и при|а = 1 получается,

О?

Что ЕОг£=210/в. Но так как Нр—8“>-0, то обычно К02<21%. Отсюда

Видно, что для каждого топлива в зависимости от его элементарного сбстава можно подсчитать максл мальное количество трехатомных газов ГО!?акс, образующихся при полном сгорании данного топлива. Пренебре­гая очень малой величиной содержания азота в топливе, величину КО“3*0 для ’твердых и жидких топлив, ®/,, можно определить из следующей фор­мулы:

И°Г= 2.37НР-0.1260Р- (2-42)

СР + 0,375БРл

О, о НР —0.1260Р

Входящую в формулу величину 2,37 ■ -ф 0 375§рд » зависящую только

От состава топлива, принято обозначать через р. Тогда

Шгс=ттт • (2'43)

Значение р для большинства твердых топлив лежит в пределах от 0,035 до 0,150; для сланцев и мазута, содержащих много водорода,—

От 0,20 до 0,35. Для характерных топлив величина р приведена

В табл. 2-4.

Знание значения величины {?0^*кс позволяет при испытаниях опреде­лить ориентировочное значение а при полном сгорании топлива, так как

Ц0макс

, (2-44) '

Полный объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлива, м3/кг, может быть определен из выражения

Уг=УС'Т + УН10 = 0,0187Кр + 0,79У° + V0 (а - 1) +

* + (2-45>

Состав продуктов сгорания газообразного топлива может быть най­ден исходя из тех же соображений, что были использованы ранее для определения V0. Пользуясь уравнениями горения для составляющих газообразного топлива, можно написать, что объем трехатомных газов,. м3/м3, будет:

Уко>=0,01 (СО, + СО + НгЗ + СН4),

Что справедливо при условии, что суммарное содержание в топливе эта­на, пропана и бутана меньше 3% объема и что газ состоит в основном, лишь из метана.

Объем азота в продуктах сгорания

У°Ы5=0,79У°+0,0Шр

И сухих газов

У°о,=Упо,+[1]°^ (2-46>

Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания газа У°н,0 = 0’01 (Нг + Н,8 + 2 4- С„Нт + 0,1244г, Т)+0,0161 У. (2-47>

Где С? г.т — Влажность газообразного топлива, г/м3.

Суммарный теоретический объем продуктов сгорания топлива, м3/м3:

V г = ^с. г Н-^н, о=^о, Н“УМ,+Ун,0. (2-48)

В том случае, если из анализа дымовых газов известно содержание в продуктах сгорания СОг, СО и СН4, объем сухих газов, м3/м3, со­ставит:

Изложенные формулы позволяют определять количество воздуха, потребного для горения, и объемы дымовых газов при известном избыт­ке воздуха. Избыток воздуха при расчете выбирается на основе опыт­ных данных (табл. 2-5), в зависимости от типа горелок и топочного устройства, элементов котельного агрегата и установки.

Таблица 2-5

Значения коэффициента избытка воздуха в топке

Избытки воздуха в топке ат для топлива

1.? 1.4
1,4
1,2— 1,3
1.3
В котельных установках движение газов осуществляется за счет разрежения, создаваемого дымовой трубой или дымососом: топоч­ное устройство и газоходы находятся под разрежением (давлением, меньшим давления атмосферного воздуха). В газоходы и топочное устройство при наличии в них отверстий и неплотностей из атмосферы поступает воздух, который называют присосом. За счет присосов избытки воздуха от топочного устройства к дымовой трубе по тракту возрастают. Величины присосов в газоходы и элементы котельной установки приведены в табл. 2-5а. В тех случаях, когда установка работает под наддувом, т. е. под давлением, несколько превышающим атмосферное, избытки возду­ха по газоходам остаются постоянными и равными избытку в топке. Далее необходимо определить доли и значения парциальных дав­лений сухих трехатомных газов и водяных паров. При небольших дав­лениях, порядка 3—4 кПа (>400 кгс/м2), или разрежениях можно счи­тать рс. г+ Рц„о “1» гДе Рс. г — парциальное'давление сухих газов, кПа ял и кгс/м2; /7Н>0 —то же водяных паров. Доли трехатомных газов и водяных паров определяют по фор­мулам: Уоп - - (2-51) Давления, кПа
Ря о„—

Таблица 2-5а

Присосы воздуха в топках, газоходах и других частях котельной установки»

Работающей под разрежением

Величина присоса воздуха

Слоевые и камерные топки без гидравлического уплотнения шлаковой шахты Камерные топки для газа и мазута и для твердого топлива с гидравлическим уплотнением шахты Камерные топки с металлической обшивкой (для всех топлив) и циклонные топки Первый пучок котельных труб котлоагрегатов с 0^9,31 МВт (8 Гкал/ч) или 3,3 кг/с (12 т/ч)

Второй пучок котельных труб котлоагрегатов с <3<;9,31 МВт (8 Гкал/ч) или 3,3 кг/с (12 т/ч)

Г азоходы:

В перегревателе за топкой, в опускной шахте и переходной зоне

Водяного экономайзера чугунного водяного экономайзера стального для котлоагрегатов с С < 9,31 МВт (8 Гкал/ч) или

3.3 кг/с (12 т/ч)

Для котлоагрегатов с С >9,31 МВт (8 Гкал/ч) или

3.3 кг/с (12 т/ч)

Воздухоподогревателя чугунного из ребристых плит то же из ребристых труб воздухоподогревателя стального пластинчатого я „ трубчатого

Регенеративного воздухоподогревателя Золоуловитель батарейный, жалюзийный, циклон, скруббер Золоуловитель-электрофильтр Газоход длиной Юм: стальной

Из кирпичных боровов Пылеприготовительная система с молотковыми мельницами л мельницами - вентиляторами

Кроме объемов, в ряде случаев при сжигании твердых и жидких топлив бывает необходимым знание массы дымовых газов топлива, кг/кг, которую можно определить из следующего выражения:

Ог = 1- 0,01Лр+ 1,308а1/0 + ф

Для газообразного топлива, кг/м3, из формулы

(5г = рсг. т + °>00Ыг. т+Ь306аУ°,

Где Рсг. т — плотность сухого газа, а С1Г, т — содержание влаги в топливе, кг/м3.

Часто необходимо знать концентрацию золы в дымовых газах, г/м3 или кг/м3:

10

Уи

Где аУн — доля золы топлива, уносимая дымовыми газами.

Результаты расчета по приведенным формулам и выражениям Для Их последующего применения целесообразно сводить в табл. 2-6.