Лекции по "Теплотехнике"

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.

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:

а) С+О2=СО2;   б) С+(1/2)·О2=СО;   в) S+О2=SО2;   г) H2+(1/2)·О2=H2О;

(15.1)

 

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.