Продукты сгорания топлива.

Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газового топлива можно записать в следующем виде

4.28

Здесь V_В - объем воздуха, использованного для сжигания 1 кг (м³) топлива; V_CO2 , V_SO2 и др. - объемы отдельных газов в продуктах сгорания, м³/кг (или м³/м³).

Под цифрой 1 в (4.28) объединены объемы продуктов полного окисления горючих элементов топлива. Объемы продуктов полного сгорания состоят из объема трехатомных сухих газов V_RO2

4.29

и объема водяных паров V_H2O в результате окисления водорода топлива. В составе V_RO2 всегда V_CO2>>V_SO2, поскольку содержание серы в топливах мало. Под цифрой 2 в (4.28) объединены объемы азота и кислорода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива, и водяные пары. Здесь V_N2>>V_O2 как кислород в значительной мере израсходован на окисление. Объем водяных паров V_ВП включает в себя испарившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха. Для сильновлажных бурых углей значение V_ВП соизмеримо или превышает V_CO2. Под цифрой 3 объединены объемы продуктов неполного окисления горючих элементов топлива, при этом V_CO>V_H2>V_CH4 . Соотношение между объемами V_CO и V_H2 в среднем составляет 3:1. Наличие в продуктах неполного сгорания объема CH₄ говорит о грубых отклонениях режима горения от нормы.

Рассмотрим полное сгорание топлива в стехиометрических соотношениях и при условии, когда в продуктах сгорания V_CO = 0; V_H2= 0; V_CH4 = 0 и нет остаточного кислорода V_O2= 0.

Объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг (м³) топлива при условии безостаточного использования кислорода, называется теоретически необходимым объемом воздуха V⁰_В ,а объем газов после сгорания - теоретическим объемом продуктов сгорания V⁰_Г

4.30

Теоретический объем сухих газов

4.31

и полный объем газов

4.32

Объем V⁰_H2O включает полный объем водяных паров в продуктах сгорания Объем V⁰_N2 состоит в основном из азота воздуха с небольшим дополнением объема азота из топлива. Для обозначения объемов, соответствующих теоретическим условиям горения, вводится индекс 0.

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания определяются составом сжигаемого топлива и приведены в табл. 4.1.

Объем сухих трехатомных газов V_RO2 в формулах (4.30) и (4.31) одинаков и не зависит от того, подан на горение теоретический объем воздуха V⁰_В или большее его количество, поскольку содержание CO₂ и SO₂ в атмосферном воздухе мало и не учитывается в расчетах. Объем других составляющих продуктов сгорания при подводе V_В > V⁰_В будет изменяться. При этом увеличение объема продуктов сгорания сверх V⁰_Г определяется только избыточным количеством воздуха ΔV_В = V_В - V⁰_В и водяными парами, содержащимися в нем:

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха из-за несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (2…3 с). Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы парового котла, действительный объем воздуха в зоне горения всегда поддерживают несколько больше теоретического. Отношение этих объемов называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры обозначается α_Т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает и относится по условиям горения к реакционным топливам.

Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигаются при использовании газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α_Т принимают для разных топлив в следующих пределах: для твердых α_Т = 1,15…1,25; для жидких α_Т = 1,02…1,10; для газовых α_Т = 1,05…1,10.

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых устройствах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения α_Т ведет к росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки α_Т равен его значению в горелке α_ГОР и сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными; исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель.

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через неплотности ограждения, чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла.

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов. Присосы определяются в долях от теоретически необходимого объема воздуха

4.34

где ΔV_i - объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

4.35

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Δα_Т. С учетом этого избыток воздуха в зоне горения будет составлять

4.36

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла,

4.37

состоит из объема продуктов полного сгорания топлива V⁰_Г, и объема избыточного воздуха ΔV_изб

4.38

где (α_Т - 1) - избыток воздуха в зоне горения.

Первое слагаемое в формуле (4.38) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое - вредные присосы холодного воздуха.

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом - путем определения процентного содержания RO₂=CO₂+SO₂ в сухих газах при известном для данного вида топлива максимально возможном RO₂^МАКС. Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при α = 1 и O₂ = 0)

4.39

где β_Т. - топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива,

4.40

Для различных видов топлив RO₂^МАКС составляет: для твердых топлив RO₂^МАКС = 10-20%; для мазута RO₂^МАКС = 16-17%; для природного газа RO₂^МАКС = 11-13%.

Для определения избытка воздуха используется углекислотная формула

4.41

В составе газа RO₂ определяется ручным газоанализатором либо хроматографом. Косвенным методом при сжигании твердых топлив нельзя пользоваться, когда топливо в своем составе имеет карбонаты, разлагающиеся в зоне горения с выделением СО₂ (например, сланцы).

Расчет характеристики β_Т для газового топлива, а также расчеты при совместном сжигании газа с мазутом или твердым топливом требуют пересчета объемных характеристик топлива на массовые. Так, масса 1 м³ сухого газового топлива, кг/м³,

4.42

где ρ_Г - плотность сухого обеззоленного газового топлива, кг/м³; d_Г, а_Г - влагосодержание и содержание минеральной пыли в топливе, г/м³.

Пересчет состава газового топлива на элементный состав условного твердого топлива (в процентах) производится по специальным формулам и RO₂^МАКС по (4.39) однозначно связано с топливной характеристикой β_Т. При любом незафиксированном изменении состава топлива это значение также меняется, что ведет к ошибке в определении α.

Кроме того, в реальных условиях в продуктах сгорания имеется избыточный кислород и возможен химический недожог топлива. Тогда значение RO₂^МАКС становится переменным, и для его определения необходим полный химический анализ газов

4.43

При этом использование формулы (4.39), в которой RO₂^МАКС получено только по составу топлива, ведет к дополнительной ошибке. Поэтому указанная углекислотная формула определения α по (4.41) является приближенной. В последнее время наиболее широко контроль избытка воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. При постоянном протоке через прибор небольшой доли дымовых газов из заданного места газового тракта из них выделяется кислород, обладающий специфическими магнитными свойствами. Прибор показывает количество O₂ в процентах от объема осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

4.44

С учетом ранее сказанного объем V_С.Г = αV⁰_В, тогда

4.45

и окончательно искомый избыток воздуха

4.46a

Если в дымовых газах содержатся продукты неполного сгорания (СО, Н₂), то нельзя весь оставшийся кислород считать избыточным, часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов. Тогда формула (4.46а) примет вид

4.46б

где СО, Н₂ - процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.

Кислородная формула (4.46) точна, когда теоретические объемы воздуха и сухих газов одинаковы. Реально V⁰_С.Г > V⁰_В и определение α будет иметь небольшую ошибку, но в допустимых пределах для технических измерений при эксплуатации.

Контроль избытка воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта - в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O₂ в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха в топке технически затруднительно и неудовлетворительно по точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.

4.5. Расчет энтальпий продуктов сгорания

Расчет энтальпий продуктов сгорания необходим для определения тепловосприятия поверхностей нагрева и изменения теплосодержания газового потока. При теплотехнических расчетах принято удельную энтальпию продуктов сгорания определять для объема газов, получающегося при сгорании 1 кг или 1 м³ топлива, и удельную энтальпию воздуха также относить к его объему, необходимому для сжигания 1 кг или 1 м³ топлива. Обычно это значение энтальпии обозначается буквой Н и выражается в кДж/м³. Так как теплоемкости отдельных газов в составе продуктов сгорания различны, то энтальпии компонентов дымовых газов подсчитываются отдельно и затем суммируются. Так, энтальпия теоретического объема продуктов сгорания при температуре газов θ,° С, составляет

4.47

где c_RO2,c_N2 ,c_H2O- объемные теплоемкости отдельных компонентов дымовых газов, взятые при расчетной температуре газов θ, кДж/(м³К).

Энтальпия газового потока при избытке воздуха α > 1 определяется как

4.48

Здесь H⁰_В - энтальпия теоретического объема воздуха,

4.49

где с_В - объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³ · К). Последний член H_ЗЛ уравнения (4.48) учитывает энтальпию золовых частиц в потоке

4.50

где (сθ)_ЗЛ - энтальпия 1 кг золовых частиц при температуре газов, кДж/кг; а_УН - доля золы, уносимой газовым потоком, обычно а_УН = 0,90…0,95. Энтальпия золы учитывается только при сжигании высокозольных топлив, когда

Энтальпия H⁰_Г при одинаковой температуре всегда выше, чем энтальпия H⁰_В, поскольку объем газов V⁰_Г> V⁰_В, а объемные теплоемкости трехатомных газов с_RO2, c_Н»О больше теплоемкости воздуха с_В. При работе котла с уравновешенной тягой и наличии присосов по газовому тракту энтальпии Н_Г в каждой поверхности нагрева зависят от рабочей температуры газов и избытка воздуха. Присосы воздуха в поверхности нагрева изменяют объем и энтальпию газов на выходе из нее.

Теплота, отданная газовым потоком при прохождении поверхности нагрева, определяется по формуле

4.51

Здесь H'_Г - энтальпия газов на входе в поверхность, кДж/кг, определяется по (4.48) при α' для предыдущей поверхности; H"_Г - то же на выходе из поверхности, определяется по α' с учетом присоса воздуха в поверхности - α" = α' + Δα_i; - энтальпия теоретического объема присосанного холодного воздуха, кДж/кг.

Если тепловосприятие поверхности нагрева определено по рабочей среде, то из уравнения (4.51) может быть найдена энтальпия газового потока до или за поверхностью. Температуру газов по известной их энтальпии можно установить, используя H, θ -таблицу продуктов сгорания топлива для опорных температур (через каждые 100°С) либо определить по формуле

4.52

где - относительная энтальпия газов, определенная по отношению к максимальному значению энтальпии при 2200 °С и при избытке воздуха, соответствующем его избытку в данном расчетном месте

4.53

Энтальпии H⁰_Г и H⁰_В определяются при θ = 2200°С.

Примеры

Примеры 1. Определить, насколько возрастает скорость горения коксовой частицы по уравнению С + O₂ = СО₂ при увеличении температуры горения с t₁ = 1230°С до t₂ = 1730°С при значении энергии активации Е =125 МДж/моль.

Решение

На основании формул (4.10) и (4.11) при постоянстве в зоне горения средней концентрации кислорода и принятия в первом приближении константы k₀ = const отношение скоростей реакций составит

Универсальная газовая постоянная R = 8,3 кДж/(моль∙К), в результате

В то же время за счет увеличения температуры возрастают скорости движения молекул и частота соударений молекул. Поэтому при температуре T₂ константа k₀ увеличится в соотношении

В итоге общее увеличение скорости горения коксовой частицы составит

5. Топочные устройства для сжигания топлив