Топливо и процессы горения

ТОПЛИВО И ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

Состав топлива

Топливом – называется вещество, которое выделяет при сгорании большое количество тепла, существует в природе в достаточно большом количестве, доступно для добычи и сохраняет свои качества при длительном хранении. Только совокупность этих качеств делает вещество пригодным для его использовании в качестве топлива. Топливо является главным источником тепловой энергии в промышленности и в быту, а так же важным видом сырья в химической промышленности. Все виды топлива (исключая ядерное) являются веществами органического происхождения.

Топливо по происхождению делится на природное (нефть, каменный уголь и др.) и искусственное (мазут, кокс).

По физическому состоянию топливо делится на твёрдое, жидкое и газообразное.

По способу использования различают:

– не энергетическое топливо (нефть, древесина, большинство каменных углей), которое используется главным образом как сырьё в химической промышленности;

– энергетическое топливо (торф, бурый уголь, антрацит), используемые в теплосиловых установках для выработки тепловой и электрической энергии;

• технологическое топливо используется для непосредственного получения тепла в технологических процессах производства (топливо тепловых двигателей, кокс и др.).

Характеристика топлива по составу

Топливо состоит из горючих элементов и негорючих примесей или балласта.

Горючими элементами любого топлива является следующие:

– углерод, обозначается (С) и является главной составляющей горючей части топлива. Углерод выделяется при сгорании – 34 МДж/кг тепловой энергии;

– водород, обозначается (Н) и является второй по значению составляющей горючей части топлива. Водород выделяет при сгорании в 4 раза больше тепла, чем углерод, около 109 МДж/кг;

– сера, обозначается (S), выделяет при сгорании в 4 раза меньше тепла, чем углерод, около 10,9 МДж/кг.

Сера делится на органическую (S_о), колчеданную (S_к) и сульфатную (S_с). Горючей частью является (S_о+к), которая называется летучей серой, а сульфатная сера (S_с) входит в состав золы. Сера является вредным компонентом, т. к. продукты её сгорания (SO₂ и SO₃) являются вредными газами, загрязняющими окружающую среду.

Негорючими элементами топлива являются:

– кислород, обозначается (О). При сгорании топлива кислород участвует в окислении, уменьшая потребность воздуха;

– азот, обозначается (N), является инертным балластом.Сумма (О+N) составляет органический балласт топлива или внутренний балласт топлива;

– зола, обозначается (А) и представляет негорючий остаток, остающийся после полного сгорания топлива. Зола является смесью различных минеральных веществ, окислов металлов и солей. Зола уменьшает ценность топлива, затрудняет и удорожает его сжигание;

– влага, обозначается (W) и является вредным балластом топлива, т. к. при сжигании часть тепла расходуется бесполезно на испарение влаги. Влага топлива делится на внешнюю, гигроскопическую влагу, которая содержится на поверхности и в капиллярных порах топлива, и гидратную влагу, которая содержится в кристаллогидратах неорганических солей золы. Сумма (А+W) называется внешним балластом топлива.

Элементарный состав топлива

Фактически твердое и жидкое топливо состоит из сложных химических соединений указанных элементов и распадается на простейшие компоненты лишь в процессе горения. Однако, т. к. количество выделяющегося при сгорании топлива тепла и состав продуктов сгорания определяется только весовыми долями содержание простейших компонентов (С, Н, S, О, N, W), для практических расчетов используются только элементарный состав топлива, определяемый техническим анализом.

Исходный состав топлива (в том виде, как оно поступает в топку котла) называется рабочим элементарным составом, он обозначается (Р) и задаётся в % по весу:

С^р + Н^р + S^р_о+к+ О^р+ N^р + А^р + W^р = 100%. (3.1)

Сухой массой называется состав топлива без учета влаги:

С^с +Н^с + S^с_о+к+ N^с + О^с + А^с = 100%. (3.2)

Пересчет рабочей массы в сухую массу производится для каждого элемента по формуле типа:

(3.3)

Горючей массой называется состав топлива без учета влаги и золы:

. (3.4)

Соответствующая формула пересчета для каждого элемента будет по типу:

(3.5)

Значение рабочего состава для всех видов топлива приводится в справочниках. Технический расчеты выполняются только на рабочий состав, остальные используются для классификации топлив и их сравнения.

Теплота сгорания топлива. Условное топливо

Одной из главных характеристик качества топлива является теплота сгорания топлива, под которой понимают количество тепла выделяющееся при сгорании единицы массы топлива, измеряемая в МДж/кг(нм³).

Высшей теплотой сгорания (Q^р_в) называют полное количество тепла выделяющееся при сгорании единицы массы (1 кг или 1 Нм³) топлива и охлаждении полученных продуктов сгорания топлива до исходной температуры.

Низшей теплотой сгорания (Q^р_н) называют количество тепла выделяющееся при сгорании 1 кг (1 Нм³) топлива за вычетом тепла, израсходованного на испарение влаги, содержащейся в топливе.

Q^р_н является фактически используемым количеством тепла, выделяющемся при сгорании топлива в промышленных установках, т. к. теплота испарения паров воды, содержащихся в дымовых газах – продуктах сгорания, обычно не может быть использована.

Q^р_в определяют в лабораториях с помощью прибора, называемого калориметром.

Q^р_н– определяют расчетом, вычитая теплоту испарения водяных паров по формуле:

Q^р_н = Q^р_в – 0,0252 (9Н^р+ W^р), МЖд/кг. (3.6)

Расчетная низшая теплота сгорания может быть определена по формуле Менделеева:

Q^р_н= 340 С^р+1030 Н^р– 109 (О^р – S^р_л) – 25,2 W^р, кДж/кг. (3.7)

Условное топливо

Так как различные виды топлива имеют сильно различающею теплоту сгорания, то для сравнения эффективности использования различных видов топлива в различных установках вводится понятие условного топлива, низшая теплота сгорания для которого принята равной 29,33 МДж/кг (или 7000 ккал/кг). Тепловым (или калорийным) коэффициентом для любого топлива называют величину:

. (3.8)

Пересчет действительного рабочего расхода топлива в соответствующий расход условного топлива производится по формуле:

В_у = В_р· Э = · . (3.9)

Расчет процессов горения производится на 1кг (1нм³) сжигаемого топлива по его рабочему составу.

3.2.3 Расчет процессов горения топлива

Основой расчета является стехиометрическое соотношение реакции горения горючих элементов топлива (для газов, реакции горения горючих газов):

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

12,01кг + 32кг = 44,01кг 4,032кг + 32кг = 36,032кг 32кг + 32кг = 64кг

1кμ + 1кμ → 1кμ 2кμ + 1кμ → 2кμ 1кμ + 1кμ = 1кμ

Все объемы используемые и получаемые в расчетах принимаются при нормальных условиях (0ºС, 760 мм рт. ст., V_км = 22,41м³ и т. д.). Задачей расчетов является определение необходимого для горения количества окислителя (воздуха), состава и количества образующихся газообразных продуктов сгорания (дымовых газов), а так же теплосодержание дымовых газов в зависимости от их температуры.

Определение количества воздуха необходимого для горения

По стехиометрическим соотношениям определяют теоретическое необходимое для горения (количество кислорода в киломолях на 1кг топлива):

Объем 1 киломоля любого газа при нормальных условиях равен 22,4 м³.

Объемная доля кислорода в воздухе примерно равна 0,21, откуда:

Действительное количество воздуха, расходуемое для горения на практике всегда больше теоретического и равно: V_в= αV⁰_в, где коэффициент избытка воздуха.

Величина α зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа топочного устройства и т. д. При увеличении α улучшаются условия и полнота горения топлива, уменьшаются потери при горении топлива, но увеличивается объем продуктов сгорания топлива и потери тепла с уходящими газами ТГ. Оптимальное значение устанавливается по минимальной сумме потерь тепла в ТГ. В газоходах ТГ за счет присосов воздуха величина α увеличивается по ходу газового тракта и избыток воздуха в уходящих газах равен:

. (3.10)

Так как в горении участвует только теоретическое количество кислорода, то неиспользованный избыточный воздух остается в продуктах сгорания топлива и его объем равен:

V_в = V_в – V_в⁰ = (α –1) ·V_в⁶.

Определение состава и объема продуктов сгорания топлива

Продукты полного сгорания топлива включают газы СО₂, SО₂, NО_, О₂, Н₂О, СО, и др. Весь объем дымовых газов делится на группы:

V₂ = V_RO2 + V_R2 + V_н2о + V_в = V_с.2 + V_Н2О, нм³/кг топл., (3.11)

где: VRO₂ – объем трехатомных газов (СО₂+SO₂);

V_R2 – объем двухатомных газов (N₂);

V_н2о – объем водяных паров;

V_с.2 – объем сухих газов.

Определение теоретического объема сгорания при ( = 1) ведется на основе реакции горения и рабочего состава топлива по методике приведенной выше. (Так как избытка воздуха нет, кислород в газах отсутствует).

Теоретический объем в трехатомных газах определяется в следующей последовательности:

Теоретический объем водяных паров равен:

где _вн = 1,203 кг с.в./м³ – плотность сухого воздуха при нормальных условиях, кг/нм³;

d_в – влагосодержание атмосферного воздуха, в среднем равное d_в = 10 г/кг с.в.

нм³/кг топл.

Действительный объем дымовых газов определяется с учетом избыточного воздуха Действительный объем сухих дымовых газов равен:

V_с.г. = V^о_RO2 + V⁰_R2 + (  )V^о_в. (3.12)

Действительный объем водяных паров равен:

(3.13)

При d_в = 10 г/кг с.в.

(3.14)

Действительный объем дымовых газов равен V₂ = V_с2+ V_н2о.

Для газового топлива, состав которого задается по объему, теоретические объемы дымовых газов определяются из выражений, получаемых по методике аналогично для твердого топлива:

(3.15)

(3.16)

(3.17)

где СО, СО₂, Н₂S и др., – объемные доли соответствующих газов в составе газового топлива в объемных процентах,

d_г.т. – влагосодержание газового топлива, г/нм³ сух.. газа.

Остальные объемы дымовых газов определяются по уравнениям для твердого топлива.

Энтальпия продуктов сгорания определяется по средней теплоемкости дымовых газов при постоянном давлении по формуле:

I = V* (3.18)

При выполнении теплотехнических расчетов требуется знать зависимость между I и t. Но в связи с зависимостью теплоемкости от температуры задача в явном виде не решается.

Для выполнения расчетов предварительно составляется таблица или строится It-диаграмма для наиболее вероятных значений коэффициентов избытков воздуха (α), в наиболее вероятном интервале температур (Δt) (Рисунок 3.9), где индексами «Т», «Г» и «Э» обозначены для примера основные части котлоагрегата: топка, газоход, экономайзер.

Рисунок 3.9 – Диаграмма наиболее вероятных значений коэффициентов избытков воздуха (α)