Теоретически необходимое количество воздуха и объемы продуктов сгорания
Под теоретически необходимым понимают количество воздуха, которое требуется для полного окисления 1 кг твердого или жидкого либо 1 м3 газообразного топлива. При этом считают, что кислород топлива затрачивается на окисление горючих элементов. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания вычисляют из стехиометрических уравнений реакций горения, записанных для каждого горючего составляющего, т. е. углерода, серы и водорода:
С + О2 = СО2, S + O2 = SO2, 2H2 + O2 = 2H2O.
На один килограмм углерода требуется 32/12 килограмма кислорода, на 1 кг серы требуется 32/32 килограмма кислорода, на 1 кг водорода требуется 32/4=8 килограмм кислорода. Доля соответствующих горючих элементов в 1 килограмме твердого или жидкого топлива составляет соответственно: , , , плотность кислорода в нормальных условиях = 32/22,4 = 1,429 кг/м3. Тогда суммарный объем кислорода необходимый для полного окисления горючих элементов топлива составит, м3/кг,
. (5.1)
Учитывая, что в данном объеме воздуха содержится 21 % кислорода, и подставляя численное значение для плотности кислорода, в окончательном виде получим выражение для расчета теоретически необходимого количества воздуха при сжигании твердого или жидкого топлива в виде, м3/кг,
. (5.2)
Теоретически необходимый объем кислорода для окисления 1 м3 газообразного топлива рассчитывают по стехиометрическим уравнениям реакций для газообразных компонентов топлива:
2СО+О2=2СО2, 2Н2+О2=2Н2О, 2Н2S+3O2=2SO2+2H2O,
СН4+2О2=СО2+2Н2О, СmHn+(m+n/4)O2=mCO2+0,5n×H2O.
На окисление одного объема оксида углерода и водорода требуется по пол-объема кислорода, на окисление одного объёма сероводорода требуется полтора объёма кислорода, на окисление одного объёма метана требуется два объёма кислорода и, наконец, на окисление одного объёма углеводорода состава СmHn требуется (m+n/4) объёмов кислорода. Переводя процентное содержание газообразных компонентов в доли и учитывая объёмное содержание кислорода в воздухе (1/100/0,21=0,0476), получим выражение для расчета теоретически необходимого объема воздуха для окисления 1 м3 газообразного топлива в виде, м3/м3,
. (5.3)
Для обеспечения полного выгорания топлива в топке воздух подают в количестве всегда несколько большем теоретически необходимого. Отношение действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха .
При тепловых расчетах котла энтальпию продуктов сгорания за каждой поверхностью нагрева определяют по составу дымовых газов и температуре. Для расчета энтальпий продуктов сгорания необходимо с достаточной точностью рассчитывать объемы продуктов сгорания. Реакции горения при высоких температурах идут с большой скоростью, поэтому состав конечных продуктов близок к равновесному. Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м3 газообразного можно записать в следующем виде:
. (5.4)
При полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м3 газообразного , а также отсутствии избыточного воздуха в образующихся газообразных продуктах должны содержатся лишь продукты полного окисления горючих элементов СО2, SО2, Н2О и азот воздуха N2. Получающиеся в этом случае объемы газов называют теоретическими:
. (5.5)
Теоретический объем сухих трехатомных газов при сжигании твердого и жидкого топлива составит, м3/кг:
. (5.6)
При сжигании газообразного топлива объем сухих трехатомных газов составит, м3/м3:
(5.7)
Теоретический объем азота:
- при сжигании твердого и жидкого топлива, м3/кг:
; (5.8)
- при сжигании газообразного топлива, м3/м3,
(5.9)
Теоретический объем водяных паров включает влагу, образующуюся при окислении водорода топлива за счет перехода влаги топлива в газообразное состояние, за счет влаги, содержащейся в воздухе:
(5.10)
где – влагосодержание, принимаемое в расчетах равным 0,01 кг/кг; и - плотность воздуха и водяных паров соответственно, м3/кг; Gф – удельный расход пара на распыл мазута (обычно составляет 0,3 кг/кг при использовании паровых форсунок).
При сжигании газообразного топлива, м3/м3:
. (5.11)
Избыточное количество воздуха приводит к увеличению объема азота и водяных паров в продуктах сгорания. Кроме того, в продуктах сгорания появляется кислород . Таким образом, действительный объем продуктов сгорания может быть рассчитан так, м3/кг (м3/м3):
. (5.12)
Объем сухих газов, м3/кг (м3/м3):
(5.13)
Итак, отношение действительно поданного на сжигание топлива к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания
. (5.14) (5.17)
В практике значение коэффициента избытка воздуха фиксируют на выходе из топочной камеры и обозначают aт. 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. Оно относится по условиям горения к реакционным топливам, поэтому нуждается в меньшем избытке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих веществ. Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигается 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 aтнормируется в зависимости от указанных факторов. Обычно его принимают для разных топлив в следующих пределах:
для твердых 1,15¸1,25,
жидких 1,02¸1,1,
для газовых 1,05¸1,1.
Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения aт ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности котла.
При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки aт равен его значению в горелке aгори 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, подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через возникающие неплотности (чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла).
За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов (рис. 5.1). Присосы определяются в долях от теоретически необходимого воздуха
, (5.15)
где DVi — объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.
Рис.5.1. Места присоса холодного воздуха в газовый тракт котла
Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как
. (5.15)
В топочной камере также имеют место присосы воздуха Daт. С учетом этого избыток воздуха в зоне горелок будет составлять
. (5.16)
Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла, можно найти по следующей формуле:
, (5.17)
где aух = aт + Daпе + Daвт + Daэк + Daвп (см. рис. 4.12).
Объем Vух состоит из объема продуктов полного сгорания топлива и всего избыточного воздуха DVизб, которое можно разделить на две составляющие:
, (5.18)
где (aт-1) — избыток воздуха в зоне горения.
Первое слагаемое в формуле (5.18) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое — вредные присосы холодного воздуха в последующих поверхностях нагрева.
Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом — путем определения процентного содержания RO2=CO2+SO2 в сухих газах при известном для данного топлива максимально возможном значении RO . Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при ά = 1 и О2 = 0):
. (5.19)
где bт — топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива
. (5.20)
Значения RO для видов топлив находятся довольно в узких пределах:
для твердых — 18-20%,
для мазута — 16-17%,
для природного газа — 11-13%.
В этом случае для определения избытка воздуха используют углекислотную формулу
. (5.21)
Значение RO2 определяют в составе исследуемого газа ручными газоанализаторами либо на хроматографе.
В настоящее время наиболее широко применяется прямой метод определения избыточного кислорода в потоке дымовых газов. В этом случае контроль за избытком 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 количества О2 в процентах от объема осушенных газов.
Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:
. (5.22)
С учетом ранее сказанного объем Vс.г @ a , тогда
. (5.23)
и окончательно искомое значение избытка воздуха
. (5.24)
Если в дымовых газах есть заметное количество продуктов неполного сгорания (СО, Н2), то нельзя весь кислород считать избыточным. Часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов, тогда формула
(5.24) примет вид
(5.25)
где СО, Н2 – процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.
Контроль за избытком 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 долюприсосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение О2 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 на выходе из топки технически затруднительно и неудовлетворительно до требуемой точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.
Дата добавления: 2015-10-26; просмотров: 17344;