ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

РАСХОД ВОЗДУХА И ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА

Расход воздуха

В изолированных, как и совместных параллельных и последова­тельных реакциях, исходные вещества вступают в химические соедине­ния и образуют новые продукты в определенных, так называемых сте­хиометрических соотношениях (закон кратных отношений Дальтона).

Согласно этому закону горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количествен­ном соотношении. Расход кислорода и количество образующихся про­дуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горе­ния, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к 1 кг горючего и выразив газообразные вещест­ва, в объемных единицах, делением их массовых количеств на значения плотностей получим количество кислорода и выход продуктов сгорания' на 1 кг каждой составляющей горючей массы топлива в м3 при давле­нии 0,1013 МПа (760 мм рт. ст.) и 0°С.

Для углерода: С + 02=С0г,

12,01 кг С+ 32 кг 02=44,01 кг СОг;

1 кг С +1,866 м3 02= 1,866 м3 С02.

Для серы: S + 02=S02,

32,6 кг S + 32 кг 0г=64,06 кг SO2;

1 кг S + 0,7 м3 02 = 0,7 м3 S02.

Для водорода: 2Н2 + 02=2Н20,

,4,032 кг Нг+32 кг 02 = 36,032 кг Н2О;

1 кг Н20 + 5,55 м3 02=11,1 м3Н20.

Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содер­жащихся в 1 кг топлива, и вычитая количество кислорода топлива, по­лучим теоретически необходимое количество кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива Fq2, м3/кг:

Ср Sp Нр ОР

— 1 Too "Ь loo 5,55 iqq ю0рОа*

В формуле:

Ср; Sp0p+K, Нр; Ор — соответственно массовое содержание углерода^ серы, водорода и кислорода в топливе, °/0; pQa — плотность кислорода, кг/м3.

26

В воздухе содержится кислорода примерно 21% по объему, поэто­му теоретически необходимое количество воздуха для горения V0, м3/кг, т. е. количество воздуха, которое необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащий­ся в нем кислород прореагирует, составляет:

У° = = 0,0889 (Ср+ 0,3755рОр+к) + 0,265НР - 0,03330р (2-5)

Или в кг/кг

Ь° = 0,115 (Ср 4- 0,3755рор+к) + 0,342НР - 0,04310р. (2-5а)

В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций выгорание все более за­медляется. В камерах сгорания парогенераторов условия реагирования ухудшаются также из-за недостаточно совершенного перемешивания вступающих в процесс горения больших масс топлива и воздуха. По­этому воздух для горения подают больше его теоретически необходи­мого количества.

Отношение количества воздуха, действительно поступившего в топ­ку Ув, к теоретически необходимому количеству называют коэффи­циентом избытка воздуха:

*, = £. (2-6)

Для вновь проектируемых парогенераторов величину ат выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конст­рукции топки. Для пылеугольных топок по условиям достижения боль­шего значения к. п. ,д. и интенсификации процесса торения оптимальны­ми являются ат = 1,2-5-1,25, при этом нижний предел относится к бурым и каменным углям, а верхний — к тощим углям и антрацитам. При размоле бурых и каменных углей в молотковых мельницах рекомен­дуется выбрать верхний предел, т. е. ат = 1,25. При жидком шлакоуда - лении из-за повышения температурного уровня и уменьшения присосов ат может быть снижен для однокамерных топок до 1,2; двухкамерных и циклонных топок — до 1,1. При сжигании природных газов и мазута в агрегатах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, ат может быть снижен до 1,05.

На действующих парогенераторах балансовыми испытаниями при различных нагрузках определяется оптимальное значение ат, при ко­тором суммарная величина потерь тепла от механической и химической неполноты сгорания топлива и потерь тепла с уходящими газами ока­жется минимальной.

Продукты сгорания топлива

Продукты полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива содержат (рис. 2-1): продукты полного сгорания углерода и серы; азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха; теоретическое количество водяного пара, включаю­щее в себя пар, образующийся при испарении влаги топлива и в ре­зультате полного сгорания водорода топлива, пар, вносимый в топку влажным теоретически необходимым количеством воздуха, и пар, используемый иногда для распыления при сжигании мазута; и, нако­нец, избыточно поданный воздух и находящийся в нем водяной пар.

При определении состава продуктов сгорания с помощью газоана­лизаторов типа ОРСА (ВТИ) в отбираемой для анализа пробе газов водяные пары конденсируются. Результаты анализа дают процентное содержание продуктов сгорания от общего объема газов без водяных паров. Поэтому обычно продукты сгорания разделяют на сухие газы и водяные пары. В этих анализах содержание трехатомных газов С02

'н-га

0,0161 (ос-1) У0

TOC o "1-5" h z, У‘г_________________________________________ I

УГ = УГ° +1,0161 (сс-1)У°

1------------------------------- 1

Рис. 2-1. Схема расчета объемов продуктов сгорания топлива.

И БОг определяется совместно, поэтому их принято подсчитывать со­гласно,(2-1) и (2-2) и обозначать символом К02:

= ^со, + ^50, = -1^ (Ср + 0,3758рч>+я). (2-7)

Для упрощения расчетов объемы остальных компонентов продук­тов сгорания расчленяют на теоретические количества, получающиеся при сжигании 1 кг топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, и их количества в избыточно поданном для горения воздухе. Теоретический объем азота м3/кг,

У^=0,Ш' + 0,8^, (2-8)

Где число 0,8 представляет частное от деления единицы на плотность азота, равную 1,251 кг/м3.

Теоретический объем водяных паров ^0НаО, м3/кг,

1/°НаО = 0(1ПНр-|-0,0124^р + 0,0161У°0. (2-9)

В выражении (2-9) первое слагаемое представляет собой объем водяного пара, получаемого при сгорании водорода топлива, подсчи­танный согласно (2-3); второе—объем водяного пара, получаемого при испарении влаги, содержащейся в топливе 0,01 №р/ рНа0; третье — объем

Водяного пара, вносимого теоретически необходимым количеством воз­духа, равный

-пм?—- =0,0161У°,

1000Рн1о

Где рв» рн>0 и <1 — соответственно плотность сухого воздуха и водяного

Пара и содержание влаги в воздухе, обычно принимаемое равным 10 г/кг.

28

Объем пара, используемого в количестве (?ф, кг/кг, для распыления мазута или дутья, включается в выражение (2-9) дополнительным слагаемым — величиной 1,24 Оф.

Объем трехатомных сухих газов в сумме с теоретическим объемом азота и водяного пара составляет теоретический объем продуктов сго­рания У°г, м3/кг,

^ = ^о, + ^, + ^н, о - (2-10)

При сжигании топлива с а>1 действительный объем продуктов сгорания больше теоретического на величину объема избыточно подан­ного в топку воздуха (а—1)У° и объема водяных паров, содержащих­ся в нем, 0,0161 (а—1)У°. Поэтому общий объем продуктов сгорания составляет Ут, м3/кг,

Уг = У + 1,0161 (а - 1 )У<>. (2-11)

Общий объем продуктов сгорания разделяют на объем сухих га­зов Ус. т, м3/кг,

'/«- = ^о, + '/Ч + (*-1)уо (2-12>

И общий объем водяных паров ^На0, м*/кг,

^н, о = ^н. о + 0.°161 (« - (2-13)

Парциальные давления И02 и Н20 при общем абсолютном давле­нии продуктов сгорания 9,81-Ю-2 МПа (1 кгс/см2) равны:

Г Ю=!ВИно = %^. (2-14)

КОа у р НаО

Масса продуктов сгорания Ог, кг/кг, складывается из обеззоленной массы топлива и воздуха, подаваемого для горения:

Ср = 1 — щ -(- 1 .ЗОбаУ. (2-15)

Концентрация золы в продуктах сгорания,|х, г/м3,

1 (ЫРДун

Доля золы топлива, уносимая газами, аун для пылеугольных топок принимается по табл. 19-4, 19-5 и 21-1, для слоевых топок при сжигании бурых углей и каменных углей 0,2—0,25, а при сжигании антраци­та — 0,30.

При сжигании сланцев карбонаты кальция, магния и железа ча­стично разлагаются на окислы металлов (СаО, М£0 и ИеО) и С02. Выделяющаяся углекислота смешивается с продуктами сгорания. В фор­мулу (2-7) для расчета объема сухих трехатомных газов КНОа, м3/кг, вводят поправку и она принимает вид:

^°.>, = + 0.509 к. (2-7а)

В формуле:

(С02)рк — содержание углекислоты в карбонатах, %;

К — степень разложения карбонатов, принимается при камерном сжигании равной 1,0, при слоевом сжигании 0,7.

Соответственно общий объем Уг. к, м3/кг, и масса продуктов сгора­ния GT. к, кг/м3, и парциальное давление углекислоты и водяного пара при сжигании сланцев составляют:

Vr,. = V, + 0,509 k (2-1 la)

Gr, H^Gr + -(C1°0fK k (2-15a)

R _W. (2-14a)

R°> Vr. K ’ H*° Vr. K*

Теоретически необходимый объем воздуха рассчитывается по дей­ствительному составу рабочей массы сланцев.

Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газо­вого топлива также рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих [Л. 3].

Теоретическое количество воздуха V0, м3/м3, определяется как сум­марный его расход на сжигание горючих 1 м3 сухого газового топлива при а=1 по формуле:

V = 0,0476 [^0,5СО - f 0,5Н* + 1.5H. S + J fm + -£-) CmH„ - О, J.

(2-16)

При отсутствии данных о составе непредельных углеводородов принимается, что они состоят из С2Н4.

Теоретический объем азота F°Ni, м*/м*,

V»N_ = 0,79V» + ^j. (2-17)

Объем трехатомных газов VR, У"н 0, м’/м’,

VRO_ = 0,01 [CO, + CO + H, S + SmCmH„]; (2-18)

V»HiO = 0,01 rH2S + H2 + 'T-|-CraH„ + 0,124rfr J + 0,0161V», (2-19)

Где dr. TJI — влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м3 сухого

Газа, г/м3.

Масса продуктов сгорания Gr> кг/м3,

Gr = P'r. M + OT+ 1.306«V», (2-20)

Где плотность сухого газа рсг. тл, кг/м3, выражается формулой

Рсг. тл = 0,01 [1,96СОа + 1,52HZS + 1.25N.+ 1,430,+ 1,25С0 +

+ 0,0899Н2 + S (0,536т + 0,045/г) СтНя]. (2-21)

Объемы воздуха и продуктов сгорания и парциальные давления при а>1 определяются по формулам (2-11) — (2-14).

Обычно в топочных камерах поддерживается небольшое разреже­ние для предотвращения выбивания газов в помещение котельной. В последующих за топкой газоходах парогенератора устанавливается разрежение, превышающее разрежение в топке на величину сопротив­ления, рассматриваемого и предшествующих газоходов. Через неплот­ности в металлической обшивке и обмуровке парогенератора, через

30

Лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха в газоходы,, находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сго­рания, протекающих в них. Величины присосов воздуха в газоходы парогенератора в долях от теоретически необходимого количества воз­духа при исправном состоянии обмуровки, обшивки и гарнитуры паро­генераторов приведены в [Л. 3].

Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для вы­бранных значений ат и коэффициентов избытка воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с ат присосов воздуха в рас­сматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V0. Предварительно по формулам (2-7), (2-8), (2-9) и (2-10) определяется теоретический объем продуктов сгорания, а затем для каждого участка газового тракта в соответствии с величиной присоса определяется общий объем продуктов сгорания по формуле (2-11) и, наконец, по формуле (2-13) —объем водяных паров.

В осваиваемых в последнее время газоплотных парогенераторах, присосы воздуха отсутствуют. Объем газов по газоходам остается оди­наковым и рассчитывается по коэффициенту избытка воздуха в топке.

Коэффициент избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха определяется газовым анализом проб продуктов сгорания, отбираемых из газоходов, с после­дующим расчетом по приводным ниже формулам.

В уравнении (2-6) теоретически необходимый объем воздуха мож­но выразить как разность между действительно поданным объемом воздуха на 1 кг топлива и объемом избыточного воздуха и представить его в виде

А “ ув — дУв ’ (2-22}

В (2-22) объем избыточного воздуха можно выразить через содер­жание свободного кислорода в сухих газах следующим образом:

ДТГ _ Т 7 100__ Ог Т Т

ДУв — 2] ~2 ^с-г.

А, пренебрегая очень малым содержанием азота в твердых и жидких топливах, действительный объем воздуха можно выразить через объем азота, который перешел в продукты сгорания с окислителем:

Т/ ___ т/ Ю0 N2 тг

Ув — 79 — 79 Кс. Г,

Тогда для коэффициента избытка воздуха получим так называемую азотную формулу:

(2-23)

79 Ог '

1 ~ 21 Ы2

При прикидочных расчетах пользуются более простой приближен­ной формулой для определения а, легко получаемой из формулы (2-23). Величина О2 в этом случае определяется из уравнения полного горенияД§ 2-3, формула (2-47)] и составляет:

02=21—Я02(1+Р). (2-24)

31

Так как при полном сгорании сухие газы состоят из И02, 02 и N2, то

N2= 100—(ИОг + Ог).

Подставив из уравнения (2-47) значение

К02+ 02=21 —рИОг,

Получим:

N2=794-рИ02. (2-25)

Подставив в выражение (2-23) величины 02 и N2 по (2-24) и (2-25) и сделав ряд преобразований, получим:

79

Я02 +Е*

21 ^

Пренебрегая небольшой величиной |3 и учитывая соотношение (2-50), получаем приближенную формулу для определения коэффи­циента избытка воздуха при полном горении

Рпма КС

<2-26>

При полном сгорании топлива объем подаваемого для горения воз­духа согласно (2-12) приближенно можно считать равным объему су­хих газов, а процент неиспользованного, кислорода — содержанию сво­бодного кислорода в сухих газах О2. Тогда коэффициент избытка воз­духа можно выразить как отношение процентного содержания кислорода в воздухе, подаваемом для горения, к проценту использован­ной части кислорода, что дает кислородную формулу в виде

‘«1гЬя - (2-27>

Уравнения (2-26) и (2-27) позволяют по содержанию трехатомных газов И02 или кислорода 02 в продуктах сгорания оценить избытки воздуха в топке и газоходах парогенератора.

Этими величинами также пользуются для экономичного ведения работы парогенераторов. Балансовыми испытаниями для парогенера­тора, работающего на определенном виде топлива, по оптимальному значению ат, отвечающему наибольшему значению к. п. д. парогенера­тора, и величине коэффициента р устанавливают оптимальные значе­ния И02 или 02 при различных нагрузках. Поддержанием оптималь­ного значения Я02 или 02 в установленных пределах обеспечивается экономичная работа парогенераторов. Однако топливо, поступающее на электростанцию, может меняться по составу. В этих случаях под­держание значения И02 постоянным при изменении р и К02макс не бу­дет отвечать оптимальному режиму парогенератора. Вместе с тем со­держание свободного кислорода в продуктах сгорания в основном за­висит от избытка воздуха.

Поэтому эксплуатационный контроль за поддержанием необходи­мого избытка воздуха в топке и за плотностью газоходов более пра­вильно вести по содержанию кислорода, в продуктах сгорания, для чего применяются автоматические кислородомеры.