Закон Стефана — Больцмана. 4 страница

Как проскок, так и отрыв пламени нарушают нормальную работу горелки и могут быть причиной аварии. Кроме того, эти явления ограничивают производительность горелки по минимальному и максимальному пределу. Для обеспечения нормального протекания горения процесс следует вести в области устойчивого горения.

Рис. 14.1. Пределы устойчивого горения в горелках атмосферного типа. W – скорость истечения газовоздушной смеси; α - коэффициент избытка воздуха.

Стабилизирующую способность горелок различных конструкций по пределам устойчивого горения, нарушаемым проскоком или отрывом пламени, выявляют экспериментально. Эту характеристику обычно представляют в виде графика зависимости нижней и верхней предельной скорости истечения смеси от коэффициента избытка воздуха (рис. 14.1).

14.7.Расчет горения газообразного топлива

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+O₂=СO₂.

Для серы: S+O₂=SO₂.

Для водорода: 2Н₂+О₂=2Н₂О.

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 м³/кг:

(14.5)

В формуле: C^р; S^р_ор+к; H^р; О^р — соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и кислорода в топливе, %; — плотность кислорода, кг/м³.

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

(14.6)

или в кг/кг

(14.7)

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 V_в, к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха:

(14.8)

Для вновь проектируемых парогенераторов величину α_т 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 горения оптимальными являются α_т=1,2—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. α_т=1,25. При жидком шлакоудалении из-за повышения температурного уровня и уменьшения присосов α_т 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, α_т может быть снижен до 1,05.

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

Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газового топлива рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих.

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

(14.9)

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

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 лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха, в газоходы находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сгорания, протекающих в них.

Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для выбранных значений α_т и коэффициентов избытка воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с α_т присосов воздуха в рас­сматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V⁰. Предварительно по формулам определяется теоретический объем продуктов сгорания, а затем для каждого участка газового тракта в соответствии с величиной присоса определяется общий объем продуктов сгорания и, наконец, по формуле - 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.

Приведем формулы для расчета объема продуктов сгорания газообразного топлива при α=1.

Теоретический объем азота, м³/м³,

(14.10)

Объем трехатомных газов, м³/м³,

(14.11)

(14.12)

где d_г.тл — влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³.

Масса продуктов сгорания, кг/м³,

(14.13)

где плотность сухого газа , кг/м³, выражается формулой

(14.14)

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

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

(14.15)

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.

14.8.Конструкции газогорелочных устройств

Газовые горелки могут быть классифицированы по следующим признакам:

по длине образующегося факела на длиннопламенные и короткопламенные;

по светимости пламени на светящийся или слабосветящийся факел;

по теплоте сгорания сжигаемого газа на горелки для высококалорийных и низкокалорийных газов;

по давлению перед горелкой на низко- и высоконапорные;

по количеству подводящих трубопроводов на одно- и двухпроводные и т. д.

Одним из существенных признаков является способ смешения сжигаемого газа с воздухом, необходимым для горения. По этому признаку горелки можно разделить на следующие три типа.

Горелки без предварительного смешения газа с воздухом. Газ и воздух, в необходимом для горения количестве, подаются раздельно через соответствующие каналы горелки. Горючая смесь образуется в факеле в процессе турбулентного смешения газа и воздуха после выхода их из горелки.

Для примера в качестве горелки такого типа можно привести трубчатую горелку для низкокалорийных газов (рис. 14.2). Газ поступает через газовый коллектор и присоединенные к нему трубы, а воздух через противоположный коллектор в межтрубное пространство. Смешение происходит в струйных потоках на выходе из труб.

Рис. 14.2. Трубчатые горелки для низкокалорийных газов

Эти горелки применяют для сжигания низкокалорийных газов в больших количествах и в печной технике, когда нужно иметь растянутый светящийся факел с более равномерной теплоотдачей по длине рабочего пространства печи.

Горелки предварительного смешения. Горелки, работающие по принципу кинетического сжигания, применяют в случаях, когда требуется сжигать газ с высоким тепловым напряжением объема и сечения камеры порядка (10—40) • 103 кВт/м₃ к (50—80) • 103 кВт/м₂ с минимальным химическим недожогом и с коротким слабосветящимся пламенем. Предварительное смешение осуществляется в смесителях, из которых подготовленная смесь поступает в горелку. К этому типу относятся туннельные и другие типы горелок однородной газовоздушной смеси, получаемой предварительным смешением газа с воздухом в смесителях различной конструкции.

В промышленности широкое распространение получили инжекционные горелки туннельного типа (рис. 14.3), которые обес­печивают авторегулирование постоянного соотношения расходов газа и воздуха и допускают сжигание запыленных газов. Горелки более термостойки и обладают повышенной пропускной способностью при малых сопротивлениях.

Рис. 14.3. Инжекционные горелки с керамическим туннельным каналом а – однопроводная горелка с одноканальным туннелем; б – двухпроводная горелка с могоканальным туннелем

При высоком давлении сжигаемого газа применяют одно проводные горелки (рис. 14.3, а) с эжекцией воздуха из атмосферы, а при сжигании газа низкого давления — двухпроводные горелки (рис. 14.3, б) с принудительной подачей воздуха. Широкое распространение получили также однопроводные инжекционные горелки, в которых цилиндрическая камера смешения заканчивается не керамическим каналом, а металлическим участком диффузор — конфузор.

Горелки с частичным смешением. Эти горелки снабжены укороченными смесителями, в которых происходит частичное смешение. Смешение продолжается и завершается в факеле в процессе горения.

Горелки, работающие по этому принципу, широко применяются в энергетике для сжигания природные газов.

В горелках с частичным смешением для низкокалорийных газов, в частности в горелке ВНИИМТ для доменного газа (рис. 14.4), из-за соизмеримых расходов газов и воздуха газы и воздух подаются чередующимися плоскими потоками через каналы в форкамеру, в каналах которой начинается смешение и горение. Процесс смешения и горения продолжается и завершается в выходных каналах. Сечение туннеля горелки определяется по количеству продуктов сгорания и скорости их, принимаемой в пределах 30—40 м/с.

Рис. 14.4. Горелка для доменного газа

Тема 15. ТВЕРДОЕ И ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ИХ СЖИГАНИЕ

15.1.Расчет горения твердого и жидкого топлива

Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы, зола, шлак), а тепловой баланс — равенство между приходом и расходом теплоты. Для твердого и жидкого топлива материальный и тепловой балансы составляют на 1 кг топлива, для газообразной фазы — на 1 м³ сухого газа при нормальных условиях (0,1013 МПа, О °С). Объемы воздуха и газообразных продуктов также выражают в метрах кубических, приведенных к нормальным условиям.

При сжигании твердого и жидкого топлива горючие вещества могут окисляться с образованием оксидов различной степени окисления. Стехиометрические уравнения реакций горения углерода, водорода и серы можно записать так:

При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие вещества окисляются полностью с образованием только оксидов с наивысшей степенью окисления (реакции а, в, г).

Из уравнения (а) следует, что для полного окисления 1 кмоль углерода (12 кг) расходуется 1 кмоль, т. е. 22,4 м³, кислорода и образуется 1 кмоль (22,4 м³) оксида углерода. Соответственно для 1 кг углерода потребуется 22,4/12 = 1,866 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ СО₂. В 1 кг топлива содержится С^p/100 кг углерода. Для его горения необходимо 1,866·С^p/100 м³ кислорода и при сгорании образуется 1,866 С^p/100 м³ CO₂.

Аналогично из уравнений (в) и (г) на окисление горючей серы (μ_s = 32), содержащейся в 1 кг топлива, потребуется (22,4/32) S^p_л/100 м³ кислорода и образуется такой же объем SO₂. А на окисление водорода ( ), содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 0,5·(22,4/2,02) Н^p/100 м³ кислорода и образуется (22,4/2,02) Н^p/100 м³ водяного пара.

Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, находящийся в топливе ( ), после несложных преобразований получим формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

В воздухе содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива V⁰, м³/кг, составляет:

(15.2)

В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха образуются газообразные продукты, которые состоят из CO₂, SO₂, N₂ и H₂O - оксиды углерода и серы являются сухими трехатомными газами. Их принято объединять и обозначать через RO₂ = CO₂ + SO₂.

При горении твердых и жидких топлив теоретические объемы продуктов сгорания, м³/кг, вычисляют по уравнениям (15.1) с учетом содержания соответствующих компонентов в топливе и воздухе.

Объем трехатомных газов в соответствии с уравнениями (15.1, а и б)

(15.3)

Теоретический объем азота равен объему азота, поступившему с воздухом , и объему азота, выделяемого из топлива , т. е.

(15.4)

Теоретический объем водяного пара , м³/кг, складывается из объема, полученного при горении водорода, равного (22,4/2,02)·(H^p/100), объема, полученного при испарении влаги топлива, равного , и объема, вносимого с воздухом: , — удельный объем водяного пара, м³/кг; ρ_в = 1,293 кг/м³ — плотность воздуха, d_в = 0,01 — содержание влаги в воздухе кг/кг. После преобразований получим:

(15.5)

При паровом распылении мазута теоретический объем водяного пара увеличивают на объем водяного пара, подаваемого в форсунку: , где — удельный расход пара на распыление мазута, кг/кг.

Суммарный теоретический объем продуктов сгорания, м³/кг:

(15.6)

Действительный объем воздуха V может быть больше или меньше теоретически необходимого, подсчитанного по уравнениям горения. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому V⁰ называется коэффициентом расхода воздуха α = V/V⁰. При α > 1 коэффициент расхода воздуха обычно называется коэффициентом избытка воздуха.

Для каждого вида топлива оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в топке зависит от технических его характеристик, способа сжигания, конструкции топки, способа образования горючей смеси и др.

Действительный объем продуктов сгорания будет больше теоретического за счет азота, кислорода и водяного пара, который содержится в избыточном воздухе. Так как воздух не содержит трехатомных газов, то их объем не зависит от коэффициента избытка воздуха и остается постоянным, равным теоретическому, т. е. .

Объем двухатомных газов и водяного пара (м³/кг или м³/м³), определяют по формулам:

(15.7)

(15.8)

Суммарный объем продуктов сгорания при α > 1 (м³/кг или м³/м³) будет:

(15.9)

При сжигании твердых топлив концентрация золы в дымовых газах (г/м³) определяется по формуле

(15.10)

где — доля золы топлива, уносимая газами (ее значение зависит от вида твердого топлива и способа его сжигания и принимается из технических характеристик топок).

Объемные доли сухих трёхатомных газов и водяного пара, равные их парциальным давлениям при общем давлении 0,1 МПа, подсчитывают по формулам

Все формулы для подсчета объемов применимы тогда, когда происходит полное сгорание топлива. Эти же формулы с достаточной для расчета точностью применимы и для неполного сгорания топлива, если не превышаются нормативные значения, приведенные в технических характеристиках топок.

15.2.Три стадии горения твердого топлива

Горение твердого топлива имеет ряд стадий: подогрев, подсушка топлива, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксового остатка, т. е. стадия горения углерода, интенсивность которой и определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим.

Во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив. Так, например, теплота сгорания коксового остатка антрацита составляет 95% теплоты сгорания горючей массы. С увеличением выхода летучих доля теплоты сгорания коксового остатка падает и в случае торфа составляет 40,5% теплоты сгорания горючей массы.

Во-вторых, стадия горения коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения.

И, в третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода.

В некоторых случаях определяющими процесс горения могут оказаться второстепенные подготовительные стадии. Так, например, при сжигании высоко влажного топлива определяющей может быть стадия подсушки. В этом случае рациональным является усиление предварительной подготовки топлива к сжиганию, например, использованием технологического способа сжигания с подсушкой топлива газами, отбираемыми из топки.

В мощных парогенераторах расходуются большие количества топлива и воздуха. Например, для парогенератора 300 МВт расход топлива — антрацитового штыба составляет 32 кг/с, а воздуха 246 м³/с а в парогенераторе блока 800 МВт ежесекундно расходуется 128 кг березовского угля и 555 м³ воздуха. В ряде случаев в пылеугольных парогенераторах как резервное используется жидкое или газовое топливо.

Процесс горения пылевидных топлив совершается в объеме топочной камеры в потоках больших масс топлива и воздуха, к которым подмешиваются продукты сгорания.

Основой горения пылевидных топлив является химическое реагирование горючих составляющих топлива с кислородом воздуха. Однако химические реакции горения в топочной камере протекают в мощных пылегазовоздушных потоках за чрезвычайно короткое время (1—2 с) пребывания топлива и окислителя в топочной камере. Эти реакции совершаются в условиях сильного взаимного влияния с одновременно протекающими физическими процессами. Такими процессами являются:

–процесс движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в поток и распространяющихся в ограниченном пространстве топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки;

–турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а также перенос газовых реагентов к диспергированным частицам;

–теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси и между газовыми потоками и содержащимися в них частицами топлива, а также передача тепла, выделяющегося при химическом превращении в реагирующей среде;

–радиационный теплообмен частиц с газовой средой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере;

–нагрев частиц, возгонка летучих, перенос и горение их в газовом объеме и др.

Таким образом, горение угольной пыли является сложным физико-химическим процессом, состоящим из химических реакций и физических процессов, протекающих в условиях взаимной связи и взаимного влияния.

15.3.Слоевой, факельный и циклонный способы сжигания твердого топлива

Топочные устройства котлов могут быть слоевые - для сжигания крупнокускового топлива и камерные - для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого пылевидного топлива.

Некоторые из вариантов организации топочных процессов представлены на рис.15.1.

Слоевые топки бывают с плотным и кипящим слоем, камерные подразделяются на факельные и циклонные.

Рис. 15.1. Схемы организации топочных процессов

При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не нарушая его устойчивости, т.е. сила тяжести частиц топлива больше динамического напора воздуха.

При сжигании в кипящем слое из-за повышенной скорости воздуха нарушается устойчивость частиц в слое, они переходят в состояние «кипения», т.е. переходят во взвешенное состояние. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что способствует интенсификации процесса горения.

При факельном сжигании топливо сгорает в объёме топочной камеры, для чего частицы твердого топлива должны иметь размер до 100 мкм.

При циклонном сжигании частицы топлива под влиянием центробежных сил отбрасываются на стенки топочной камеры и, находясь в закрученном потоке в зоне высоких температур, полностью выгорают. Допускается размер частиц больший, чем при факельном сжигании. Минеральная составляющая топлива в виде жидкого шлака удаляется из циклонной топки непрерывно.

15.4.Особенности сжигания жидкого топлива

Каждое жидкое горючее, так же как любое жидкое вещество, при данной температуре обладает определенной упругостью пара над своей поверхностью, которая увеличивается с ростом температуры.