Судовые паропроизводящие установки

Основы теории горения топлива

Процессом горения называется реакция соединения вещества с кислородом, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением.

В результате процесса горения скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Для успешного проведения процесса горения необходимо создать определенные условия.

Горение топлива производится в атмосферном воздухе, который содержит;

- в объемном соотношении - 21 % 02 и - 79 % Ы2 (включая ряд других газов и примесей);

- в весовом соотношении 23,2 % 02 и 76,8 % И2.

Поэтому в продуктах сгорания всегда присутствует азот, а при горении топлива с избытком воздуха - кислород.

Стехиометрические уравнения реакций горения топлива

В процессе горения принимают участие только горючие составные части топлива. При этом происходят следующие химические процессы;

1) Реакция горения углерода;

У

- молярные соотношения

- весовые соотношения

Аналогичные молярные, весовые а так же объемные соотношения можно написать для реакций горения остальных горючих элементов

Приведенные стехиометрические уравнения являются итоговым результатом и не отражают всей сложности механизма реакции горения.

Горение топлива может быть полным - с образованием негорючих продуктов (С02, Н20 и Б02) и неполным, когда в составе продуктов сгорания присутствуют СО, СН4, Н2 и углеводороды СтНп.

Обычно показателем неполного сгорания топлива является присутствие в продуктах сгорания топлива окиси углерода - СО.

Теоретическое и действительное количество воздуха:

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, может быть рассчитано из стехиометрических уравнений горения.

Количество кислорода, необходимое для сгорания 1 кг мазута, за вычетом кислорода, содержащегося в самом топливе, определяется по формуле;

Гр мр пр

¥0 = 1,866 — + 0,7 — + 5,6 Н

2 ' 100 ' 100 ' 100 100р0г

Учитывая, что в воздухе содержится -21 % кислорода, получим теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг мазута;

У0

V0 = -°^ = 0,0889 Ср + 0,375Бр)+ 0,265Нр -0,03330р

0, 21 v ’

Обычно величина V0 может быть оценена с достаточной точностью по эмпирической формуле;

Г0 _ А О 0-Н

V0 - 0,262

1000

Действительное количество воздуха, необходимого для сжигания 1кг топлива, всегда больше теоретического. Отношение действительного подведенного количества воздуха к теоретически необходимому для сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха;

V

А = —

V0

На практике это значение может достигать;

- для главных котлов - а = 1,1 ^ 1,2

- для современных котлоагрегатов - а = 1,03 ^ 1,05

- для вспомогательных котлов - а = 1,2 ^ 2,0

Коэффициент избытка воздуха зависит от ряда факторов; совершенства организации топочного процесса, аэродинамических характеристик топки, качества распыливания топлива, рода топлива и т. д.

Снижение коэффициента избытка воздуха всегда приводит к неполноте сгорания топлива, что в свою очередь способствует уносу частичек топлива вместе с дымовыми газами и снижает КПД котла. Повышение ^ приводит к затратам тепла (и топлива) на нагревание «лишнего» воздуха, поступающего в топку котла и также снижает КПД котлоагрегата.

Внешними признаками качественного горения топлива являются;

- оптимальное для данной нагрузки котла соотношение «топливо - воздух» при бездымном горении;

- равномерное горение без взрывов, хлопков, вибраций фронта котла;

- отсутствие в дымовых газах СО и соответствие значения С02 значению в формуляре котла;

- отсутствие коксования топлива на кирпичной кладке и поверхностях нагрева;

- отсутствие догорания топлива в газоходах.

Оценка качества горения только по отсутствию дымления может привести к грубым ошибкам, так как бездымное горение может быть реализовано в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха от 1,2 до 2 и более. Косвенно судить о качестве процесса горения можно по цвету пламени. При нормальном горении топлива цвет факела должен быть яркого соломенно-желтого или светло-оранжевого цвета. Красный или темно-оранжевый цвет факела с появляющимися темными полосами и черным дымом из дымовой трубы говорит о низком значении коэффициента избытка воздуха, ярко-белый цвет факела с отдельными искрами и появлением белого дыма из дымовой трубы означает избыток подаваемого воздуха.

При теплотехнических испытаниях котла, проводимых с целью определения его показателей, всегда определяют коэффициент избытка воздуха по результатам анализа дымовых газов. При этом обычно пользуются следующими формулами;

TOC o "1-5" h z 1 21,8 1

А =___________ ___ ____ _____ а=-------------------- —— • а =

1 - 3,76----------------- /---- ’ , 21,8 - 02 +— 1 -

100 ~(Я02 + 02)-СО ’ 2 2 21И2

где; ^О2, О2, СО, Ы2 - процентные содержания соответственно;

Трехатомных газов (Я02, С02 и аналогичных), кислорода, окиси углерода и азота в продуктах сгорания, определяемые с помощью газоанализаторов при работе котла. Определение суммарной концентрации трехатомных газов происходит из-за того, что газоанализатор не может определять концентрации этих газов по отдельности, а показывает суммарную их концентрацию.

Для определения коэффициента избытка воздуха по последней формуле необходимо сначала определить содержание в сухих газах ЯО2 и О2, а содержание N находят как N = 100 ~(Я02 + О2).

При эксплуатации котла для определения коэффициента избытка воздуха можно пользоваться приближенной формулой;

15

А =

Я02

Энтальпия продуктов сгорания.

В топке парового котла при сжигании топлива выделяется тепло, которое передается продуктам сгорания и идет на повышение их температуры. При движении продуктов сгорания через поверхности нагрева происходит процесс передачи тепла от газов к воде и пару. При этом температура продуктов сгорания уменьшается.

Тепловое состояние продуктов сгорания характеризуется их энтальпией, которая является основным параметром тепловых эффектов в процессах подвода и отвода теплоты.

Энтальпией продуктов сгорания называется количество теплоты, необходимое для нагревания продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг топлива, от 0 °С до заданной температуры - t.

Количество тепла, полученное продуктами сгорания, можно определить по формуле;

Q = УГср - t2) , [кДж/кг]

Где; Уг - полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива [нм3/кг];

СР - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания [кДж/нм3 -°С; 11 и 12 - высший и низший температурные уровни продуктов сгорания;

Приняв ^ = 0, и учитывая, что процессы горения и теплообмена являются изобарными, величину Q можно назвать энтальпией продуктов сгорания;

I = УГс^, [кДж/кг

При тепловых расчетах котлов для определения энтальпии дымовых газов обычно пользуются тепловой

Диаграммой продуктов сгорания (I — t диаграммой), которая строится в зависимости от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.

Эта диаграмма представляет собой семейство кривых, построенных по расчетам воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива данного состава и определения объемов компонентов продуктов сгорания.

Лекция 5.

Топки паровых котлов. Организация топочного процесса. Топочные устройства. Организация дутья в паровых котлах