Куликов, А. А.

Отдел научно-технической информации и образовательной

деятельности СПбНИИЛХ,

(зав. отделом кандидат технических наук Н. А. Маятина),

доцент Санкт-Петербургского государственного университета
сервиса и экономики, кандидат технических наук В. Ф. Бадах

УДК

Куликов, А. А.

Топливо. Тепловой баланс котельного агрегата: учебное пособие для студентов очной и заочной форм обучения / А. И. Куликов [и др.]. – СПб.: СПбГЛТУ, 2012. – ____ с.

ISBN 978-5-9239-

Представлено кафедрой теплотехники и теплосиловых установок.

В первой части пособия детально рассмотрены основные характеристики топлива. Приведен подробный вывод всех формул, относящихся к расчетам: объема воздуха на горение; объема образующихся дымовых газов; температуры горения.

Во второй части применен оригинальный метод для вывода уравнения теплового баланса котельного агрегата. Все окончательные расчетные формулы строго и последовательно выведены из первого закона термодинамики.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения.

Библиогр. 19 назв. Табл. 6. Ил. 10.

Темплан 2012 г. Изд. № 97.

ISBN 978-5-9239- Ó СПбГЛТУ, 2012

1. ВИДЫ ТОПЛИВА

Теплотехнические установки (ТТУ) – это устройства, которые потребляя топливо,обеспечивают достижение определенного полезного эффекта.

Например, в теплосиловых установках (ТСУ) полезный эффект – это механическая работа, которую можно, в частности, использовать для получения электроэнергии на тепловой электрической станции (ТЭС).

Комплекс оборудования, обеспечивающий переход одного вида энергии в другой, называется станциями.

В котельных агрегатах (КА) полезный эффект от использования топлива состоит в получении горячий воды или водяного пара в насыщенном или перегретом состояниях.

Топливом называется вещество, с помощью которого можно получить технически полезную энергию.

По механизму выделения энергии топливо разделяют на две группы: ядерное и органическое.

По происхождению – на природное (уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф, древесина и т. п.) и искусственное (бензин, керосин, кокс и т. п.), которое получается путем переработки природных топлив.

По агрегатному состоянию – на твердое, жидкое, газообразное.

2. Теплотехнические характеристики

К теплотехническим характеристикам топлив относятся:

· химический состав топлива;

· теплота сгорания топлива;

· влажность;

· выход летучих и кокса;

· зольность;

· свойства коксового материала.

Определение этих характеристик является задачей технического анализа топлива.

Зольность. Минеральные примеси состоят из различных минеральных веществ, входящих в состав твердого топлива.

Основные минеральные примеси состоят из алюмосиликатов (кремнезем SiO₂, глинозем Al₂O₃, глина), сульфидов (в основном железный колчедан FeS₂), карбонатов (CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃), сульфатов (CaSO₄, MgSO₄), окислов металлов, фосфатов, хлоридов, солей щелочных металлов.

В зависимости от происхождения различают три вида минеральных примесей – первичные, вторичные и третичные.

Первичные примеси попали в топливо вместе с углеобразователями, они связаны с органической массой топлива. Количество первичных примесей, как правило, невелико. Они распределяются в топливе равномерно по всей массе. Удалить первичные примеси из топлива невозможно.

Вторичные примеси были внесены в топливо в процессе углеобразования ветром и водой в виде наносов. Распределены они в топливе менее равномерно, иногда в виде тонких прослоек, но удалить их также практически невозможно. Поэтому первичные и вторичные примеси считаются внутренними примесями.

Третичные примеси попадают в топливо при его добыче, транспортировке и хранении и представляют собой породы из внешнего минерального окружения вырабатываемого пласта. Распределены они в топливе неравномерно и достаточно легко отделяются. Поэтому третичные примеси являются внешними примесями.

В процессе горения при высоких температурах минеральные примеси претерпевают различные физико-химические преобразования, в результате чего получается твердый негорючий остаток, который называется золой.

Хотя золы обычно получается по массе несколько меньше, чем минеральных примесей в исходном топливе, для теплотехнических расчетов пользуются процентным (по массе) содержанием золы – зольностью (А).

Для определения зольности топлив пользуются стандартной методикой (прил. 1).

Важными свойствами золы являются абразивность и плавкость.

Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей парогенераторов.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, называемый шлаком.

Шлак удаляется из топки в жидком или гранулированном состоянии. По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы в соответствии с температурой плавления золы t _З:

1) с легкоплавкой золой (t _з ≤ 1350°С);

2) с золой средней плавкости (t _з = 1350…1450°С);

3) с тугоплавкой золой (t _з > 1450°С).

Легкоплавкая зола приводит к зашлаковыванию горящего слоя топлива, заливает отверстия колосниковой решетки, застывает в них, затрудняет подвод воздуха в зону горения, а также налипанию размягченной, расплавленной летучей золы на стенки кипятильных труб котла. Это загрязняет поверхность нагрева, ухудшает теплопередачу в пучках труб и вызывает необходимость очистки труб котла и стенок топки. Причем жидкий шлак может вступать в химическое взаимодействие с огнеупорной кладкой и обмуровкой котла, вызывает их разрушение.

Содержание золы в рабочей массе топлива колеблется от 0,3…60 %. Минимальное количество золы содержится в древесном топливе – 0,6…1,8 %, наибольшее – в сланцах (46…60 %), которые поэтому сжигаются преимущественно в пылевидном состоянии.

При сжигании топлива в виде мелких фракций (частиц угольной и сланцевой пыли, опилок и др.) происходит значительное загрязнение воздушного бассейна окружающей местности вследствие большой доли выноса золы (до 80…90 %). Это ухудшает санитарные условия жизни населения прилегающих к ТЭЦ жилых кварталов рабочих поселков и городов.

Кроме того, запыленность воздуха может снижать качество продукции некоторых производств, как например, сортность бумаги, досок и пр.

Зная процент содержания и свойства золы, определяют также способы ее удаления, транспортирования и использования.

Влажность топлива определяется количеством содержащейся в нем воды (Н₂О).

Влагу топлива подразделяют на две части: внутреннюю и внешнюю.

К внутренней относится коллоидная и гидратная влага.

Коллоидная влага («клеевидная» от др. греч. κоλλa – клей и εiδoς – вид) связана с органической частью топлива и распределяется очень равномерно в его массе. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива, а также от содержания влаги в атмосферном воздухе.

Гидратная (кристаллизационная) влага химически связана с минеральными примесями. Содержание гидратной влаги в топливе незначительно. Больше всего ее количество заметно в многозольных топливах.

Часть коллоидной влаги при просушке испаряется, содержание гидратной влаги при этом остается постоянным, она может быть удалена только при высоких температурах.

Внешнюю влагу топлива составляют поверхностная и капиллярная влага, которая попадает в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке и хранении.

Внешняя влага удаляется механическими методами и сушкой.

Гигроскопической влажностью называют влажность воздушно-сухого топлива при определенных условиях: температуре воздуха 20 ±1°С и его относительной влажности 65 ±5 % [16].

Твердое топливо при пребывании на воздухе может терять или поглощать влагу до тех пор, пока давление насыщенного пара влаги топлива не уравновесится с парциальным давлением влаги воздуха.

Воздушно-сухим называется твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью.

Влажность рабочей массы различных топлив изменяется в широких пределах. Рабочим называется такой вид топлива, в котором оно непосредственно подается в топки и горелки.

Для определения влажности топлива используют стандартную методику (прил. 2).

При сжигании топлива влага испаряется в первую очередь, потребляя часть теплоты. В реальных условиях водяные пары выбрасываются вместе с продуктами сгорания, что приводит к снижению теплоты сгорания, увеличению расхода топлива, объема продуктов сгорания, а следовательно, к увеличению потерь теплоты с уходящими газами и затрат на удаление уходящих газов из КА.

Высокая влажность способствует выветриванию и самовозгоранию твердого топлива при его хранении.

При повышенной влажности ухудшается сыпучесть твердого топлива. В зимнее время может происходить смерзание топлива, что нарушает нормальную работу систем топливоподачи.

Выход летучих и кокса. При нагревании твердого топлива происходит распад сложных углеводородных соединений, составляющих горючую массу топлива. В результате этого выделяются горючие газы – водород (Н₂), углеводороды (в основном метан СН₄), окись углерода (СО), а также негорючие газы – углекислый газ (СО₂) и водяные пары (Н₂О). Этот процесс называется выходом летучих веществ. Состав и теплота сгорания летучих зависят от вида и марки топлива. По мере увеличения химического возраста топлива количество летучих уменьшается.

После отгонки летучих из топлива образуется коксовый остаток.

В зависимости от топлива, коксовый остаток может быть порошкообразным или спекшимся. Спекание кокса происходит в случае, если топливо содержит битуминозные вещества, которые при нагревании переходят в пластическое состояние.

Угли, образующие спекшийся коксовый остаток, являются ценным технологическим сырьем. В первую очередь для производства металлургического кокса.

Свойства коксового остатка зависят от состава органических соединений горючей массы топлива.

Для определения выхода летучих и кокса используют стандартную методику (прил. 3).

3. Состав топлива

Важнейшей характеристикой любого топлива является его химический состав. По известному химическому составу топлива могут быть выполнены все расчеты, связанные с его использованием: расчет необходимого объема воздуха для сжигания; расчет объема и состава дымовых газов и др.

Любое топливо состоит из горючей массы и балласта. При всем разнообразии различных видов топлива горючими элементами являются: углерод, водород, кислород и сера.

Отметим, что масса серы, участвующей в горении, состоит из серы органической S _о, которая входит в состав органических соединений, и серы колчеданной S _к, которая входит в состав железного колчедана FeS₂ и других сернистых соединений, окисляемых кислородом, рис. 3.1 [11].

Рис. 3.1. Природа и свойства серы в топливе

Твердое и жидкое топливо состоит, как правило, из сложных веществ (органических соединений), определить содержание которых в топливе достаточно сложно. Поэтому применяется более простой способ, который позволяет характеризовать состав топлива массовыми % химических элементов, из которых оно состоит.

Горючими элементами топлива являются, %: углерод С, водород Н и сера S_л = S_о + S_к (индекс «л» означает «летучая сера», т. е. та сера в топливе, которая окисляется кислородом).

Кроме горючих элементов топливо содержит, %: негорючие органические элементы кислород О и азот N, входящие в состав топлива в виде сложных высокомолекулярных соединений; негорючие минеральные примеси, например, Al₂O₃, SiO₂, CаO, Fe₂O₃, CaSO₄ и др. составляющие, золу топлива А, которая остается после его сгорания; влагу топлива W, которая является балластной примесью, как и зола, снижающей качество топлива.

В качестве характеристик состава твердого топлива различают рабочую, аналитическую, сухую, горючую (сухую беззольную) и органическую массы, табл. 3.1 [1; 2; 14]. В жидком топливе – рабочую и сухую массы.

Таблица 3.1

Масса твердого топлива и состав

Обозначающий индекс	Углерод С	Водород Н	Кислород О	Азот N	Сера органическая Sо	Сера колчеданная Sк	Балласт Б
Зола А	Влага W ^p
аналитическая W а	внешняя W вн
о	Органическая
г	Горючая (сухая беззольная)
с	Сухая
a	Аналитическая
р	Рабочая (рабочее топливо)

Органическая масса состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и серы, входящей в состав органических соединений. Это условное состояние топлива, не содержащего влаги и минеральной массы:

. (3.1)

Горючая масса (сухая беззольная) близка по составу к органической массе. Отличается от нее наличием колчеданной, или пиритной серы, входящей в состав железного колчедана (FeS₂) и других сернистых соединений, окисляемых кислородом в процессе горения топлива. Это условное состояние топлива, не содержащего влаги (кроме гидратной) и золы:

C^г + H^г + O^г + + N^г = 100%. (3.2)

Сухая масса состоит из горючих компонентов и минеральных веществ, образующих при сгорании топлива золу. В этом состоянии топливо не содержит влаги (кроме гидратной):

C^с + H^с + O^с + + N^с + А^с = 100%. (3.3)

Рабочая масса состоит из сухой массы и всей влаги топлива, именно этот состав топлива подается в топки и горелки:

C^р + H^р + O^р + + N^р + А^р + W^р = 100%. (3.4)

Аналитическая масса – рабочая масса воздушно-сухого топлива. Соответствует аналитическому состоянию топлива, т. е. состоянию аналитической пробы топлива, влажность которого доведена до равновесного состояния с влажностью воздуха в лабораторном помещении [14]. Используется обычно для проведения химического анализа:

C^а + H^а + O^а + + N^а + А^а + W^а = 100%. (3.5)

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производится по очевидным соотношениям с помощью множителей, приведенных в табл. 3.2 [6].

Таблица 3.2

Множители для перерасчета состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса топлива	Коэффициенты пересчета на массу
рабочую	сухую	горючую	органическую	аналитическую
рабочая
сухая
горючая
органическая
аналитическая

Примечание к табл. 3.2:

1) пересчет рабочего состава одного топлива при изменении его влажности проводится по очевидным формулам, приведенным в прил. 4;

2) расчет рабочего состава топлива, состоящего из смеси двух твердых или жидких топлив, производится по формулам, приведенным в прил. 5;

3) пример расчетов по определению состава топлива приводится в прил. 6.

Химический состав газообразного топлива чаще всего задается объемными процентами входящих в газовую смесь компонентов.

По определению:

· объемный % i-го компонента – это объемная доля компонента r_i, умноженная на 100;

· объемная доля – это отношение приведенного объема i -го компонента V_i к объему всей газовой смеси V _см , из которой состоит топливо;

· приведенный объем i-го компонента газовой смеси V_i – это объем, который один этот компонент мог бы занимать при условии, что его давление и температура будут равны давлению и температуре всей газовой смеси.

В общем случае промышленное газообразное топливо может содержать следующие газы: окись углерода (СО); водород (Н₂); метан (СН₄); этан (С₂Н₆); пропан (С₃Н₈); бутан (С₄Н₁₀); пентан (С₅Н₁₂); этилен (С₂Н₄); пропилен (С₃Н₆); сероводород (Н₂S); двуокись углерода (СО₂); азот (N₂); кислород (О₂).

Если в газообразном топливе присутствует кислород, то при расчете горения его необходимо учитывать, т. е. воздуха на сжигание топлива в этом случае потребуется меньше.

Пример: природный газ Саратовского месторождения имеет состав [2]:

							Сумма, %
94,0	1,2	0,7	0,4	0,2	0,2	3,3	100,0

Примечание:

Необходимо учитывать, что для газообразного топлива в справочной литературе дается состав сухого газа. Пересчет состава газообразного топлива с сухого на влажный производится следующим образом. Вначале определяется объемная доля Н₂О в газе при нормальных условиях (условная величина, т. к. плотность паров Н₂О при нормальных условиях условно определяется формулой

кг/нм³,

где – молярная масса воды, кг / кмоль; 22,4 м³ – объем, который занимает 1 кмоль любого идеального газа при нормальных условиях (следствие из закона Авогадро).

По определению объемной доли в газовой смеси:

, (3.5)

где – объемная доля паров Н₂О в газообразном топливе; – приведенный объем паров в газообразном топливе, нм³; – объем газовой смеси рабочего (влажного) топлива, который соответствует 1 нм³ сухого топлива, нм³; – масса Н₂О в объеме рабочего (влажного) топлива, равном , кг; ω – содержание влаги в газообразном топливе, г / нм³ (сухого газа).

Содержание влаги в объемных процентах в рабочем топливе по определению составит:

%. (3.6)

Влагосодержание газа при различных температурах приводится в прил. 7.

Зная по (3.6) процентное содержание влаги в рабочем топливе, можно рассчитать состав влажного рабочего газа по известному составу сухого газа:

, %;

(3.7)

, %; и т. д.

В природном газе содержится небольшое количество влаги, примерно 0,5…1,5 %, так как при транспортировании газа на большие расстояния он подвергается тщательной очистке от различных примесей и влаги.

При решении задач, в случае отсутствия данных по влаге, влажность газообразного топлива принимать Н₂О = 1 %.

Пример расчета рабочего состава для природного газа приводится в прил. 8.

4. Теплота сгорания топлива

Горение – это интенсивная реакция окисления, в которой выделение химической энергии сопровождается тепловым излучением.

Сгорание топлива может быть полным и неполным.

При полном сгорании в продуктах горения образуются вещества, не способные к дальнейшему окислению: СО₂, Н₂О, SО₂.

При неполном сгорании, в образовавшихся продуктах горения присутствуют вещества, способные к дальнейшему окислению: СО, Н₂S и др.

Например, результат полного сгорания углерода в виде графита описывается стехиометрическим уравнением [3]:

С + О₂ = СО₂ + 34,07 МДж / кг. (4.1)

При неполном сгорании:

С + 0,5 · О₂ = СО + 10,27 МДж / кг. (4.2)

Примечание:

Содержащийся в твердом и жидком топливе углерод, так же, как и водород, входит в состав сложных органических соединений, образующих горючую массу топлива.

В технике различают высшую и низшую теплоты сгорания рабочего топлива (теплотворная способность топлива, или теплотворность).

Высшая теплота сгорания топлива – это теплота, которая выделяется при полном сгорании всех горючих компонентов 1 кг или 1 нм³ топлива.

Примечание: 1 нм³ – это 1 м³ газа, находящийся при нормальных условиях (н.у.), т. е. при р _н = 101325 Па и Т_н = 273,15 К.

Физический смысл можно представить следующим образом. После полного сгорания 1 кг или 1 нм³ топлива образуется высокотемпературная газовая смесь (дымовые газы), состоящая из пяти газов: СО₂, Н₂О, SО₂, N₂ и О₂. Эту смесь охлаждают до 0ºС. Теплоту, которую потребуется отвести при таком охлаждении, называют высшей теплотой сгорания топлива . Очевидно, что пары Н₂О, находящиеся в дымовых газах, в конце процесса охлаждения (при 0ºС) будут находиться в жидкой фазе, т. к. при 100ºС произойдет их практически полная конденсация.

Значение определяется экспериментально (прил. 9), либо рассчитывается по эмпирическим формулам по известному элементарному составу топлива.

В тепловых агрегатах, как правило, отработанные дымовые газы находятся при давлении, близком к атмосферному, и имеют температуру несколько выше 100ºС, а значит вода в них находится в виде пара. Это необходимо, чтобы исключить конденсацию пара в трубе, через которую дымовые газы выбрасываются в атмосферу (при конденсации труба быстро разрушается).

В связи с этим, для удобства проведения теплотехнических расчетов (чтобы не учитывать в них теплоту испарения Н₂О), вводится низшая теплота сгорания топлива . Значение определяется по известной путем пересчета. Из вычитается теплота, которая высвобождается при конденсации Н₂О в дымовых газах при 100ºС. А также то количество теплоты, на которое отличаются процессы охлаждения воды (от 100ºС до 0ºС) от охлаждения водяного пара (тоже от 100ºС до 0ºС). Это отличие можно рассчитать по известным значениям средних теплоемкостей воды и водяного пара при постоянном давлении (теплоемкость пара примерно в два раза меньше теплоемкости воды).

Указанная выше разница между и составляет приблизительно 2510 кДж (600 ккал) на 1 кг влаги [3].

Таким образом, для твердого и жидкого топлива можно записать:

= – 2510 · , кДж / кг, (4.3)

где и – содержание водорода и влаги в рабочем топливе, %.

Коэффициент 9 перед в формуле (4.3) указывает на то, что из 1 кг Н₂ при окислении образуется 9 кг Н₂О.

На практике для расчета низшей теплоты сгорания твердого или жидкого рабочего топлива по известному элементарному составу пользуются эмпирической формулой Д. И. Менделеева [10]:

= 338C^р + 1025H^р – 108,5 (O^р – ) – 25 W ^р, кДж / кг. (4.4)

Низшую теплоту сгорания газообразного топлива по компонентному составу вычисляют по формуле [10]:

= 108 Н₂ + 126 СО + 234 Н₂S + 358 СН₄ + 591 С₂Н₄ +

+ 638 С₂Н₆ + 860 С₃Н₆ + 913 С₃Н₈ + 1135 С₄Н₈ + 1187 С₄Н₁₀ +

+ 1461 С₅Н₁₂ + 1403 С₆Н₆, кДж / кг, (4.5)

где Н₂, СО, Н₂S, СН₄, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈, С₄Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂, С₆Н₆ – объемные % соответствующих компонентов топлива, а коэффициенты перед ними – тепловые эффекты реакций окисления данного горючего компонента, кДж / нм³, деленные на 100.

Помимо иногда в расчетах используется – теплота сгорания при стандартных условиях (20ºС, 760 мм рт. ст.):

. (4.6)

5. Условное топливо

Эффективность использования топлива в тепловом агрегате характеризуется удельным расходом топлива – это затраты топлива на единицу продукции.

Например, на получение в котельном агрегате 1 т пара расходуется 50 нм³ природного газа, т. е. удельный расход 50 нм³ / т. Для удобства сопоставления различных видов топлива, например, при сравнении удельных расходов, вводится понятие – условное топливо (у.т). При этом принято, что низшая рабочая теплота сгорания условного топлива составляет 29300 кДж / кг у.т. (7000 ккал / кг у.т).

Затраты или объем реального топлива всегда можно пересчитать в затраты (объем) условного топлива.

Например: пусть в тепловом агрегате расходуется в единицу времени В кг / с, твердого топлива с низшей рабочей теплотой сгорания , кДж / кг. Соответственно в этом тепловом агрегате в единицу времени расходуется теплота:

Q _тех = В · , (5.1)

где Q _тех – теплота на осуществление технологического процесса, кДж / с.

Величина Q _тех при любом виде топлива должна оставаться неизменной, в частности, и при использовании условного топлива:

Q _тех = В · = В _у.т · 29300, (5.2)

где В _у.т – расход условного топлива в рассматриваемом тепловом агрегате, кг у.т./ с или т у.т./ с.

Из (5.2) получаем:

В _у.т = В · Э, кг у.т. / с или т у.т./с, (5.3)

где – безразмерная величина, которая называется тепловой эквивалент топлива.

6. Расчет горения топлива

6.1. Общие сведения

Для сжигания топлива в топках и горелках используется, как правило, атмосферный воздух.

Состав сухого атмосферного воздуха приведен в табл. 6.1.

Также в атмосферном воздухе содержится некоторое количество водяного пара, которое определяет его влажность. Количество водяного пара в атмосферном воздухе колеблется от 0,1 до 2,8 об. % в зависимости от сезона, климата и погоды.

Таблица 6.1

Состав сухого атмосферного воздуха в нижних слоях атмосферы

Газы атмосферы	Содержание, об. %	Газы атмосферы	Содержание, об. %
Азот, N2	78,09	Криптон, Kr	10^–4
Кислород, O2	20,95	Водород, H2	5 · 10^–5
Аргон, Ar	0,93	Полуоксид, N2O	5 · 10^–5
Углекислота, CO2	0,03	Ксенон, Xe	8 · 10^–6
Неон, Ne	8 · 10^–3	Озон, O3	10^–6
Гелий, He	5,24 · 10^–3	Рений, Rn	6 · 10^–18

Во многих теплотехнических расчетах наличием в воздухе Ar, CO₂ и т. д. можно пренебречь без существенного снижения точности результата. То есть принимается, что сухой воздух состоит из двух компонентов – азота (N₂) и кислорода (O₂):

N₂ = ∙ 100 = 79 %, (6.1)

O₂ = ∙ 100 = 21 %, (6.2)

где и – объемные доли азота и кислорода (безразмерные величины); N₂ и O₂ – объемные проценты азота и кислорода в сухом воздухе, %.

Влажность воздуха принимается постоянной и равной 10 г Н₂О на 1 кг воздуха [5].

Из (6.1) и (6.2) следует, что в сухом воздухе на один объем О₂ приходится: объемов N₂; объемов самого воздуха.

Теоретически необходимый объем воздуха – это минимальный объем воздуха, который потребуется для полного сгорания 1 кг или 1 нм³ топлива.

На практике, для достижения полного сгорания топлива воздуха подают больше, чем теоретически необходимо. Это происходит из-за того, что идеально перемешать горючее и окислитель в реальных топках и горелках невозможно. В соответствии с этим фактом вводится важная техническая характеристика горения – коэффициент избытка воздуха α:

, (6.3)

где V ^o – теоретически необходимый объем воздуха, нм³ /кг (нм³ /нм³); V _д – действительный объем воздуха, нм³ / кг (нм³ / нм³).

Значение V ^o определяется из стехиометрических уравнений химических реакций окисления горючих элементов топлива. Значение V _д определяется в результате экспериментальной отработки режимов для конкретных топок и горелок.

6.2. Расчет объема воздуха при горении
твердого и жидкого топлива

Элементарный рабочий состав твердого и жидкого топлива, как было показано выше, задается массовыми, %. Например, высокосернистый мазут имеет следующий состав [13]:

С^р	Н^р		N^р	О^р	А^р	W ^р	Сумма, %
83,0	10,4	2,8	0,7	–	0,1	3,0	100,0

Горючими элементами в топливе являются: углерод, водород, сера.

Рассмотрим стехиометрические реакции полного окисления этих элементов:

С + О₂ = СО₂; (6.4)

S + О₂ = SО₂; (6.5)

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О. (6.6)

Из (6.4) следует, что для окисления 1 кмоля С требуется 1 кмоль О₂.

1 кмоль С + 1 кмоль О₂ = 1 кмоль СО₂ + 407 кДж.

С учетом средней молярной массы получаем выражение:

12 кг С + 32 кг О₂ = 44 кг СО₂ + 407 кДж.

Тогда для окисления 1 кг С потребуется кислорода:

1 кг С + кг О₂ = кг СО₂ + кДж / кг

или

1 кг С + 2,67 кг О₂ = 3,67 кг СО₂ + 33,9 кДж / кг.

Объем 1 кмоля любого идеального газа при нормальных условиях, в соответствии со следствием из закона Авогадро, равен 22,4 нм³. Таким образом, для полного окисления 12 кг С потребуется 22,4 нм³ О₂. Одному объему кислорода в воздухе соответствует 4,76 объема самого воздуха. Значит, для полного сжигания 12 кг углерода потребуется 4,76 · 22,4 нм³ воздуха. Соответственно теоретический объем воздуха в случае горения углерода будет равен:

V ^o = , нм³ / кг углерода, (6.7)

где n – коэффициент, стоящий перед О₂ в стехиометрическом уравнении (6.4), кмоль; μ_с – молярная масса углерода,μ_с = 12 кг / кмоль.

Аналогичным образом из (6.5) для случая горения серы можно получить:

V ^o = , нм³ / кг серы. (6.8)

Из (6.6) следует, что для окисления 1 кмоля водорода, который весит 2 кг, потребуется 0,5 кмолей кислорода, что будет составлять 0,5 · 22,4 · 4,76 нм³ воздуха. Соответственно для этого случая:

V ^o = , нм³ / кг водорода. (6.9)

Обобщенная формула для расчета теоретически необходимого объема воздуха имеет вид:

V ^o = , нм³ / кг, (6.10)

где n – коэффициент, стоящий перед О₂ в стехиометрическом уравнении реакции окисления соответствующего вещества, кмоль; μ – молярная масса окисляемого вещества, кг / кмоль.

Для полного сгорания всех горючих элементов 1 кг твердого или жидкого топлива, в соответствии с (6.7) – (6.9), могло бы потребоваться следующее количество воздуха V′ ^o, без учета О^Р:

, нм³ / кг. (6.11)

В топливе в высокомолекулярных соединениях содержится кислород О^р, который по существу также участвует в окислении горючих элементов. Из-за этого реально воздуха потребуется меньше, чем рассчитывается по (6.11). Следовательно, из необходимо вычесть эквивалентный О^р объем воздуха V ^э, который рассчитывается следующим образом.

Сначала определим массу О₂ в 1 кг топлива :

, кг кислорода / кг топлива.

Зная массу, определяем число кмолей О₂ в 1 кг топлива :

, кмоль,

где – молярная масса кислорода, = 32 кг / кмоль.

По числу кмолей определяем нормальный объем кислорода в 1 кг топлива :

, нм³ кислорода / кг топлива. (6.12)

Из (6.12) эквивалентный объем воздуха рассчитывается исходя из содержания в воздухе 21 % кислорода по объему:

нм³ воздуха/ кг топлива. (6.13)

Окончательно теоретически необходимый объем воздуха V ^o, который требуется для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, определяется путем вычитания (6.13) из (6.11):

V ^o = – V ^э = 0,089С^р + 0,266Н^р + 0,033 ( – О^р), нм³ / кг. (6.14)

Примечание:

Часть твердого топлива в топках теряется: со шлаками; за счет просыпи через колосниковую решетку; уносится в виде пыли газовым потоком. Эти потери называются механическими. При учете механических потерь их оценивают как потери углерода:

С_мех = С_ш + С_пр + С_у , %, (6.15)

где С_мех – механические потери углерода; С_ш, С_пр, С_у – потери углерода со шлаком, с просыпью и уносимые газовым потоком соответственно.

Значение С_мех обычно составляет 3…5 %. Соответственно при расчете теоретически необходимого объема воздуха для сгорания твердого топлива вместо С^р используется фактический углерод :

= С^р – С_мех = (0,95…0,97) · С^р, %. (6.16)

6.3. Расчет объема воздуха при горении
газообразного топлива

Химический состав газообразного топлива, как было показано выше, задается объемными % входящих в топливо (газовую смесь) компонентов. В общем случае сухое (без учета паров Н₂О) техническое газообразное топливо может иметь состав:

СО

Н2

СН4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

С5Н15

С2Н4

С3Н6

Н2S

СО2

N2

О2

Сумма, %

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

100,0

Объем кислорода, необходимого для полного сгорания 1 нм³ газообразного топлива, подсчитывается на базе стехиометрических уравнений окисления (горения) отдельных горючих компонентов, входящих в его состав:

окись углерода: СО + 0,5 · О₂ = СО₂ ; (6.17)

водород: Н₂ + 0,5 · О₂ = Н₂О; (6.18)

метан: СН₄ + 2 · О₂ = СО₂ + 2 · Н₂О; (6.19)

этан: С₂Н₆ + 3,5 · О₂ = 2 · СО₂ + 3 · Н₂О; (6.20)

пропан: С₃Н₈ + 5 · О₂ = 3 · СО₂ + 4 · Н₂О; (6.21)

бутан: С₄Н₁₀ + 6, 5 · О₂ = 4 · СО₂ + 5 · Н₂О; (6.22)

пентан: С₅Н₁₂ + 8 · О₂ = 5 · СО₂ + 6 · Н₂О; (6.23)

этилен: С₂Н₄ + 3 · О₂ = 2 · СО₂ + 2 · Н₂О; (6.24)

пропилен: С₃Н₆ + 4, 5 · О₂ = 3 · СО₂ + 3 · Н₂О; (6.25)

сероводород: Н₂S + 1,5 · О₂ = SО₂ + Н₂О. (6.26)

Например, из (6.20) следует, что для полного сгорания 1 нм³ этана (С₂Н₆) потребуется 3,5 нм³ О₂ (так как на сгорание 1 кмоля С₂Н₆ требуется 3,5 кмоля кислорода (О₂), а 1 кмоль любого идеального газа при нормальных условиях, по следствию из закона Авогадро, занимает объем 22,4 м³). Соответственно для сгорания нм³ этана, содержащегося в 1 нм³ топлива, потребуется 3,5 · нм³ кислорода.

Таким образом, по уравнениям (6.17) – (6.26) можно подсчитать объем теоретически необходимого кислорода для сгорания 1 нм³ топлива :

= 0,01 (0,5 · СО + 0,5 · Н₂ + 2 · СН₄ + 3,5 · С₂Н₆ + 5 · С₃Н₈ +

+ 6,5 · С₄Н₁₀ + 8 · С₅Н₁₂ + 3 · С₂Н₄ + 4,5 · С₃Н₆ +

+ 1,5 · Н₂S – О₂), нм³ / нм³. (6.27)

Если для компактности записи все углеводороды, входящие в топливо, обозначить общей условной формулой C _m H _n (m – количество атомов углерода, n – количество атомов водорода в компоненте), то вместо (6.27) можно записать:

= 0,01 (0,5 · СО + 0,5 · Н₂ + 1,5 · Н₂S +

+ ∑(m + ) C _m H _n – О₂), нм³ / нм³, (6.28)

где условный знак ∑ означает суммирование по всем входящим в топливо углеводородам [см. формулу (6.27)].

Соответственно теоретически необходимый объем воздуха рассчитывается по (6.28), исходя из содержания в воздухе 21 % кислорода по объему:

, (6.29)

или с учетом (6.28):

V ^o = 0,0476 · [0,5 (СО + Н₂) + 1,5 Н₂S + 2 СН₄ +

+ · С _m H _n – O₂], нм³ / нм³. (6.30)

6.4. Расчет объема дымовых газов при горении топлива

6.4.1. Общие сведения

При полном сгорании любых органических топлив образуются следующие газообразные продукты сгорания: СО₂, SО₂ и Н₂О.

Если происходит неполное сгорание, то считается, что к трем названным продуктам добавляется окись углерода СО – токсичный газ, а также могут добавляться и другие газы.

В общем случае объем продуктов сгорания 1 кг или 1 нм³ топлива V _гскладывается из объема сухих газов V _сги объема водяного пара :

V _г= V _сг + , нм³ / кг; нм³ / нм³. (6.31)

При этом:

, (6.32)

где – приведенные объемы соответствующих компонентов в сухой газовой смеси, образовавшейся при сгорании 1 кг или 1 нм³ топлива, нм³ / кг или нм³ / нм³ топлива.

Химический состав сухих дымовых газов определяется объемными %:

SО₂ = СО =

О₂ = , N ₂ = , (6.33)

где , , , , – объемные доли соответствующих компонентов в сухой газовой смеси; СО₂ , SО₂ , СО, О₂ , N₂ – объемные проценты соответствующих компонентов в сухой газовой смеси, %.

При этом:

СО₂ + SО₂ + СО + О₂ + N₂ = 100 %. (6.34)

При расчетах для удобства вводится обозначение:

, (6.35)

где – объем трехатомных газов, %.

Соответственно подставляя (6.35) в (6.32):

(6.36)

6.4.2. Расчет объема дымовых газов при полном горении
твердого и жидкого топлива

Состав такого топлива задается массовыми %:

C^р + H^р + O^р + + N^р + А^р + W ^р = 100 %. (6.37)

При полном сгорании 1 кг топлива объем дымовых газов V _гопределяется суммой:

, нм³ / кг. (6.38)

Расчет значений слагаемых, входящих в правую часть (6.38), производится следующим образом.

Для расчета рассмотрим стехиометрическую реакцию окисления углерода:

С + О₂ = СО₂. (6.39)

Из (6.39) следует, что из 1 кг углерода образуется СО₂ в количестве нм³/ кг. В 1 кг топлива содержится , кг углерода. Соответственно:

, нм³ / кг. (6.40)

Аналогичным образом рассчитывается по реакции:

S + О₂ = SО₂ ; (6.41)

, нм³ / кг. (6.42)

Итого для :

= 1,886 · + 0,7 · =

= 1,886 · , нм³ / кг, (6.43)

где = К^Р называется приведенным углеродом, %.

В общем случае при избытке воздуха (α > 1) часть воздуха не принимает участия в горении. Эта часть называется избыточным воздухом:

(6.44)

где – объем избыточного воздуха, подаваемого при сжигании 1 кг топлива, нм³ / кг; – действительный объем воздуха, подаваемый на сжигание 1 кг топлива, нм³ / кг; – объем теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 кг топлива, нм³ / кг; α – коэффициент избытка воздуха.

Так как в воздухе содержится 21 % О₂ , для определения можно использовать (6.44):

, нм³ / кг. (6.45)

При расчете учитывается, что азот является инертным газом и не участвует в химических реакциях при горении топлива. То есть весь азот, который поступает в топку (горелку) вместе с действительным воздухом, и азот, который выделяется из топлива, проходя через топку (горелку) транзитом:

, (6.46)

где – приведенный объем N₂ в действительном воздухе, подающимся при сгорании 1 кг топлива, нм³ / кг; – объем N₂, который выделяется при сгорании 1 кг топлива, нм³ / кг.

Так как в воздухе содержится 79 % N₂, значение определяется:

(6.47)

Значение по определению рассчитывается путем деления соответствующей массы на плотность. В 1 кг топлива содержится кг азота. Плотность азота при нормальных условиях можно рассчитать по известной формуле:

, кг / нм³, (6.48)

где – молярная масса азота, = 28 кг / кмоль; 22,4 – объем, который занимает 1 кмоль любого идеального газа при нормальных условиях (следствие из закона Авогадро), нм³ / кмоль.

Соответственно для :

нм³ / кг. (6.49)

Подставляя (6.47) и (6.49) в (6.46), получаем:

= 0,79 · α · + , нм³ / кг. (6.50)

Вводя для объема двухатомных газов, входящих в (6.38), обозначение , можно записать очевидное равенство (которое также можно получить путем простейших арифметических преобразований):

(6.51)

где – приведенный объем азота в дымовых газах, при сгорании 1 кг топлива при условии, что коэффициент избытка воздуха α = 1, нм³ / кг.

Равенство (6.51) отражает тот очевидный факт, что приведенный объем О₂ и часть от приведенного объема N₂, относящаяся к избыточному воздуху, вместе как раз и составляют объем этого избыточного воздуха V ^и.

Значение можно рассчитать по (6.50), приняв значение α = 1:

, нм³ / кг. (6.52)

Примечание:

Для удобства проведения практических расчетов формулы (6.50) и (6.51) преобразуют следующим образом:

, (6.53)

где 0,79 · V ^о – приведенный объем N₂ в теоретическом воздухе, нм³ / кг; 0,79 · (α – 1) · V ^о – приведенный объем N₂ в избыточном воздухе, нм³ / кг.

Подставив в (6.53) формулу (6.52), получим:

(6.54)

Подставляем в (6.51) формулы (6.45) и (6.54

---

Дата добавления: 2015-08-09