Состав и основные характеристики газообразного топлива. Условное топливо

К газообразным топливам относится, прежде всего природный газ. Основным его компонентом явля­ется метан кроме того, в газе раз­ных месторождений содержатся неболь­шие количества азота , высших угле­водородов , диоксида углерода . В процессе добычи природного гаpа его очищают от сернистых соединений, но часть их мо­жет оставаться.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содер­жащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и по­этому выделяющий при сгорании больше теплоты.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый npи пер­вичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают техничес­кий пропан , технический бутан и их смеси.

На металлургических заводах в ка­честве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. И тот и другой используются здесь же на заводах для отопления печей и техноло­гических аппаратов. Коксовый газ иног­да применяют для бытового газоснаб­жения прилегающих жилых массивов.

В районе расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Концентра­ция его в смеси с воздухом может со­ставлять от 2,5 до 40 % и выше. По­скольку метано-воздушная смесь взрыво­опасна при концентрации метана в ней более 5, но менее 15 % и может загореть­ся в подводящих трубопро­водах, для сжигания используют лишь смеси с концентрацией, лежащей за эти­ми пределами.

В последнее время в ряде мест все большее применение находит биогаз— продукт анаэробной фермента­ции (сбраживания) органических отхо­дов (навоза, растительных остатков, му­сора, сточных вод и т.д.). Например, в Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированно­го бытового мусора. «Фабрика» произво­дительностью до 20×10³ газа в сутки отапливает небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей сре­ды жидкими отходами путем превраще­ния их в биогаз (примерно 1 м3 в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.

Условное топливо. Приведенные характеристики.

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой ба­зе. Поэтому введено понятие так называ­емого условного топлива, тепло­та сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг), что соот­ветствует хорошему малозольному сухо­му углю.

Часто такие характеристики топлива, как зольность и влажность или содержа­ние серы, получаются более наглядными при их отнесении не на единицу массы топлива, а на единицу выделяющейся при сгорании теплоты. Это обусловило появление так называемых приведенных характеристик.

Под приведенным понимается содер­жание данного компонента в граммах, отнесенное к одному мегаджоулю тепло­ты, выделяющейся при сгорании топли­ва. Приведенная золь­ность, например, показывает, какое ко­личество золы в граммах ежесекундно образуется при сжигании данного топли­ва в установке с тепловой мощностью 1 МВт. Чаще всего используют приведен­ные влажность и зольность, а иногда и приведенное содержание серы:

; ; ;

В эти формулы значения и подставляются в процентах, a в МДж/кг.

Использование приведенных харак­теристик существенно упрощает некото­рые расчеты.

3. Теплота сгорания топлива. Расчеты процессов горения топлива.

Под теплотой сгорания по­нимается количество теплоты, выделяю­щейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного — к 1

3.1Общее уравнение материального баланса процесса горения топлива

Рассмотрим материальный баланс процесса горения применительно к сжиганию твердого топлива с получением газообразных и твёрдых продуктов сгорания.

В приходной части баланса процесса горения – количество топлива В, кг/с и окислителя воздуха L_в, кг/с, организованно поступающих в топку для сжигания, а также воздух, подсасываемый (при работе под разрежением) по тракту котла в топку – DL₁, в конвективные поверхности нагрева – DL₂ и в воздухоподогреватель – DL₃, кг/с.

В расходной части материального баланса в общем виде – газообразные продукты сгорания, покидающие котёл, L_г, кг/с, и твердые минеральные остатки – зола (шлак), выпадающие по газовому тракту (G_зл1, G_зл2), улавливаемые в золоуловительной установке (G_зл3) и уносимые газообразными продуктами сгорания (G_зл4), кг/с.

Таким образом, в общем случае уравнение материального баланса процесса горения топлива в котле имеет вид:

.

При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие. При работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха.

Иногда расчет материального баланса процесса горения проводит на 1кг сжигаемого топлива в объемных расходах газа:

.

3.2. Определение количества воздуха

При расчёте объема воздуха (V), необходимого для сгорания 1кг топлива, нужно знать расход кислорода для обеспечения химических реакций горения компонентов топлива. Состав топлива задается в процентах от 1кг рабочего состояния жидкого и твердого топлива:

.

При полном окислении горючих компонентов топлива будут наблюдаться следующие химические реакции:

12кг + 32кг = 44кг.

32,06кг + 32кг = 64,06кг.

4,032кг + 32кг = 36,032кг.

Следовательно, для сжигания, например, 1кг углерода (С) до требуется кислорода:

где =1,428 кг/м³ – плотность кислорода при нормальных условиях (Т = 293 К, р = 0,1013 МПа).

Аналогично определяется расход кислорода, м³/кг, при сжигании углерода до СО, а также водорода и серы твердого и жидкого топлив. Результаты расчетов представим в виде таблицы 1.1

Для газообразного топлива, состав которого задается в объемных долях

горючими составляющими являются СО, Н₂, Н₂S и различные углеводороды .

В соответствии с реакцией окисления на 1 м³ СО затрачивается м³/м³ кислорода. Аналогично определяется расход кислорода, м³/м³, при сжигании других горючих составляющих газообразного топлива (табл.1.1).

Теоретический объем кислорода , м³/кг необходимого для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива в соответствии с табл.1.1 и с учетом кислорода , имеющегося в топливе, определяется по формуле:

а для сгорания 1 газообразного топлива, м³/м³,

Таблица 1.1. Расход кислорода и выход продуктов сгорания при

сжигании горючих составляющих топлива

Топливо	Горючие составляющие топлива	Количество горючего	Теоретический расход кислорода, м3/кг, м3/м3	Выход продуктов сгорания м3/кг, м3/м3
Твёрдое, жидкое	Углерод		1,866	1,866
Горение до
Горение до		0,933	1,866
Водород		5,56	11,12
Сера		0,7	0,7
Горение элементарной серы
Горение колчеданной серы с учётом затрат кислорода на окисление железа		0,96	0,7
Газообразное	Оксид углерода		0,5
Водород		0,5
Сероводород		1,5
Метан		2,0
Другие углеводороды

В 1 воздуха содержится 21% , поэтому теоретический объем воздуха , необходимый для полного сгорания 1кг (1 ) для твердого и жидкого топлива, составит:

а для полного сгорания газообразного топлива – соответственно

.

Так как обеспечить идеальное смешение воздуха с топливом в процессе подготовки топлива к сжиганию не удается, то для более полного выгорания топлива воздух в топку котла подают в большем количестве . Дополнительное количество вводимого воздуха оценивают коэффициентом избытка воздуха , который представляет собой отношение количества воздуха, введенного в топочный объем, к теоретически необходимому для полного сгорания 1кг (1 ) топлива:

.

Коэффициент избытка воздуха выбирают из условий обеспечения получения максимального КПД котла при допустимых выбросах окислов азота. зависит от вида сжигаемого топлива, его качества, степени измельчения, способа сжигания, а также от конструкции топочного устройства и составляет 1,01…1,5. Чем благоприятнее условия для смешения газообразного окислителя с горючими элементами топлива, тем значение может быть меньшим.

В котельных установках, работающих под разрежением, в газоходах за топкой коэффициент избытка воздуха обычно возрастает из-за присоса холодного воздуха, что определяется недостаточной герметизацией лючков, гляделок, обмуровки и др. В связи с этим в уходящих газах коэффициент избытка воздуха :

Величина присосов воздуха

3.3 Состав и количество продуктов сгорания

В общем случае в топке котла газообразные продукты сгорания могут содержать, м³/кг (м³/м³):

В представленное выражение входят:

- продукты полного сгорания

- продукты неполного сгорания

- компоненты избыточного воздуха

В топках котлов при неблагоприятных условиях возможно появление продуктов неполного горения, в первую очередь появляется СО в количестве, обычно не превышающем 0,1…1%. При определенных условиях могут появиться и другие продукты неполного горения. С учетом малого их количества при определении объема топочных газов они могут не учитываться. Кроме того, при расчете объема продуктов сгорания все входящие в него компоненты условно делят на объем сухих газов и объем водяного пара:

,

где - объем трехатомных газов:

= .

При коэффициенте избытка воздуха и полном сгорании топлива газообразные продукты сгорания не содержат кислорода, СО, а состоят из трехатомных газов , азота и водяных паров . Следовательно, теоретический объем продуктов сгорания равен:

Жидкое и твердое топливо.

Объем трехатомных газов определяется, как и расход окислителя, на основании уравнения соответствующей реакции. Например, при горении углерода получается или диоксида углерода .

Аналогично определяется выход продуктов сгорания, м³/кг, при сжигании серы и водорода. Результаты расчетов допишем в табл.1.1.

Следовательно, объем трехатомных газов равен

Теоретический объем азота, переходящего в продукты сгорания из воздуха и топлива, определяется по формуле:

Теоретический объем водяных паров можно представить как сумму следующих составляющих:

где - водяной пар, образующийся при сгорании водорода:

- водяной пар, внесенный влагой топлива:

- водяной пар, внесенный с воздухом:

В этих формулах - плотность водяного пара, - влагосодержание воздуха; - плотность воздуха.

После подстановки соответствующих значений, получим:

Газообразное топливо.

Объем трехатомных газов также определяется на основании химических уравнений реакций горения (табл.1.1). Кроме того, содержащийся в газообразном топливе диоксид углерода переходит в продукты сгорания. В результате получаем формулу для определения выхода трехатомных газов:

Теоретический объем азота (при ), м³/м³:

Теоретический объем водяных паров, м³/м³:

где - влагосодержание газообразного топлива, г/м³ сухого газа,

г/м³;

- влагосодержание дутьевого воздуха, г/м³ сухого газа

г/м³.

При коэффициенте избыткам воздуха продукты сгорания содержат дополнительное количество воздуха и влагу, внесенную этим воздухом, что увеличивает объем сухих газов и объем водяных паров. В связи с этим при для твердого, жидкого и газообразного топлива имеем, м³/кг (м³/м³)

3.4 Энтальпия продуктов сгорания

При расчетах котельной установки используются зависимости между температурой и энтальпией продуктов сгорания. В общем случае энтальпия продуктов сгорания, отсчитываемая от , является суммой энтальпий газов и золы,

Энтальпия золы относительно мала, поэтому она учитывается лишь при сжигании пылевидных многозольных топлив, в остальных случаях энтальпией золы можно пренебречь.

Энтальпия газообразных продуктов сгорания при с учетом возможных продуктов неполного горения равна:

где , , ... – объемы диоксидов углерода, серы, азота и т.д., м³/кг (м³/м³);

, , … - энтальпии диоксида углерода, сернистого газа, азота и т.д., МДж/м³.

Поскольку коэффициент избытка воздуха изменяется по газоходам котла, энтальпию газообразных продуктов сгорания целесообразно представить в виде суммы:

где - энтальпия газов при и температуре

- энтальпия теоретически необходимого воздуха:

где - энтальпия влажного воздуха, МДж/м³.

По указанным формулам могут быть вычислены энтальпии для разных и построена - диаграмма, существенно облегающая расчеты.

Рис.1. Примерный характер - диаграммы

1 – область температур для воздухоподогревателя; 2 – для экономайзера; 3 – для пароперегревателя; 4 – для котельного пучка; 5 – для топки.

Учитывая, что в топочной камере, газоходах пароперегревателя, экономайзера, воздушного подогревателя имеются присосы воздуха, а продукты сгорания имеют относительно ограниченный интервал температур, поэтому - диаграмма рассчитывается для соответствующих интервалов температур и коэффициентов избытка воздуха.