4. Расчет горения топлива

Положения теории горения

Горение – процесс быстрого химического соединения горючих элементов топлива с окислителем (кислородом), сопровождающееся выделением тепла.

В нагревательных печах используется жидкое и газообразное топливо.

Оно сжигается в форсунках и горелках. Метод горения – факельный. Факел образуется при подаче в рабочее пространство горючей смеси (воздух+топливо) струями.

При движении струи происходит:

1. – Перемешивание топлива с воздухом;

2. – Подогрев смеси;

3. – Воспламенение смеси;

4. – Горение;

5. – Передача тепла.

Горение бывает:

1. – Гомогенное – с поверхности отдельных капель;

2. – Гетерогенное – в объеме.

Этапы горения жидкого топлива:

1. – Распыление мазута;

2. – Смешивание с воздухом;

3. – Подогрев до температуры вспышки;

4. – Воспламенение;

5. – Горение капли;

6. – Горение твердого остатка.

Этапы горения (газообразного топлива):

1. – Перемешивание топлива с воздухом;

2. – Подогрев смеси до температуры воспламенения;

3. – Горение.

Тепло расходуется для:

1. Подогрева новых порций смеси;

2. Нагрева продуктов горения;

3. Расхода тепла на нагрев заготовок и потери:

   1. Нагрев металла в рабочем пространстве печи;

   2. Передача тепла в окружающую среду;

   3. Нагрев стен, пода, свода печи;

   4. Потери тепла через окна и т.д.

Часто используется предварительный подогрев воздуха и топлива.

Температура подогрева (t^оС) зависит от вида топлива и способа смешивания.

Дать примеры:

1. – Горение мазута;

2. – Горение газа.

Различают следующие виды смешивания топлива с воздухом:

1. Предварительное смешивание;

2. Внутреннее смешивание;

3. Частичное (внутреннее + внешнее) смешивание;

4. Внешнее смешивание.

Важным параметром топлива является тепловое напряжение РП печи –

количество тепла, выделяющееся при сжигании топлива в единицу времени, отнесенное к 1м³ топки или рабочего пространства печи. Для жидкого топлива норма – 600кВт/м³; для газа – 1200кВт/м³.

Гомогенное горение может происходить в 2х режимах:

1. – Кинетическом – заранее подготовленной горючей смеси;

2. – Диффузионном – смешивание, подогрев горючей смеси и горение её происходит одновременно (теория горения Н.Н. Семенова и Я.Б. Зельдовича).

Расчеты горения топлива необходимы для определения:

1. – Расхода воздуха (L₀ и Lα) или (L_Т L_д);

2. – Количества и состава продуктов горения (Vo,Vα);

3. – Температуры горения(t_Т ,t_К).

Для расчетов используют следующие величины:

1. – – отношение % содержания азота в воздухе к % содержанию кислорода.

2. – Молекулярная масса химических элементов:

H₂=2, N₂=28, O₂=32, S=32, C=12.

3. – Объем 1к моль газа при НФУ V_км=22.4 .

4. – Расчеты Lα и Vα отнесены к нормальным физическим условиям

(н.ф.у.) – t=0^оC, p=760мм ртутного столба или I0I кПа.

Горение жидкого топлива.

Состав: C^P+H^p+O^p+N^p+S^p+A^p+W^p=100%

По формуле Менделеева или из таблицы определяем Q_н^р.

При необходимости предварительно осуществляем перерасчет на рабочее топливо.

Записываем реакции горения:

C+O₂+KN₂=CO₂+KN₂+Q₁;

2H₂+O₂+KN₂=2H₂ O+KN₂+Q₂;

S+O₂+KN₂=SO₂+KN₂+Q₃.

Определяем количество молей кислорода необходимое для горения соответствующего количества молей горючих элементов топлива.

При горении с каждым молем O₂ вносится 3,76 молей N₂, который переходит в продукты горения, т.е. является балластом. При горении каждого из молей топлива выделяется определенное количество тепла.

Разделив 22,4/12=1,867 м³/кг – получим количество кислорода необходимое для горения 1 кг углерода (С₂).

Аналогично 22,4/(2*2)=5,6 м³/кг – горение 1 кг водорода (Н₂);

22,4/32=0,7м³ /кг – горение 1 кг серы (S).

Т.к. в горении участвует кислород топлива (О₂^р), определяем его количество в м³

32 – 22,4

=* м³.

Т.е. кислород топлива уменьшает потребность в кислороде воздуха.

Топливо – смесь горючих элементов. Общий расход кислорода равен сумме расхода на горение всех горючих элементов.

Для горения 1кг жидкого топлива потребуется следующее количество кислорода:

V_О2=0,01*(1,86*C^p+5,6*H^p+0,7*S^p-0,7*О₂^р )

Состав топлива задан в %, что соответствует количеству кг кислорода на 100кг топлива.

Тогда теоретический расход воздуха:

L₀ = (1 + K)*V_O2

А с учетом влажности воздуха

,

влажного воздуха на 1кг топлива составит

где: – 22,4 – объем 1 кмоля пара, м³

– g – содержание паров Н₂О в воздухе г/м³;

– 18 – молекулярная масса пара;

– 1000 – коэффициент перевода из граммов в килограммы.

Аналогичным образом расчет выполняется для газообразного топлива.

Расчет горения газообразного топлива следующего состава:

Рассмотрим горение топлива следующего состава

CH₄+C_mH_n+CO+H₂+H₂ S+SO₂+O₂+N₂=100%

Реакции горения углеводородов.

1. 
2. 
3. 

5. С_mH_n + (m + n/4) (O₂+KN₂) = mCO₂+0,5nH₂O+(m + n/4)*KN₂ + Q_5.

Тогда теоретически необходимое количество кислорода:

=0.01(0,5()+(m+n/4));

где содержание горючих составляющих подставляется в %. Расчет ведется на 100м³ топлива. Коэффициент – 0,01 – служит для перехода к расчету горения 1м³ топлива.

Теоретический расход воздуха составит:

Lo=(1+K)Vo₂

Действительный расход воздуха, необходимого для полного горения, больше теоретического. Объясняется это несовершенством перемешивания топлива характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

α=L_α/Lo тогда L_α= α*Lo;

где: – L_α и Lo – действительный и теоретический расход воздуха в м³/кг или м³;

– α – коэффициент избытка воздуха из табл.

Таблица 4.1.Значения коэффициентов избытка воздуха.

Вид топлива	α
Твердое Простая топка Полугазовая	1,4 – 1,7 1,3 – 1,6
Жидкое Форсунка	1,1 – 1,25
Газообразное Горелка частичного и внешнего смешивания Горелка внутреннего смешивания	1,05 – 1,2 1,0 – 1,05

Т.е величина α – зависит от вида топлива, конструкция топливо – сжигающего устройства и наличия подогрева топлива и воздуха.

При недостатке воздуха происходит неполное сгорание его. Различают: химическую и механическую неполноту сгорания.

При высоких температурах происходит диссоциация ПГ (расщепление) прежде всего СО₂ и Н₂О на СО – Н₂ – О₂.

На диссоциацию затрачивается значительное количество тепла, которое определяется по t^оC и Р (парциальному давлению ) с помощью специальных графиков (составляет 5 – 6% при 1600^оС).

При наличии горючих составляющих в ПГ определяют химическую неполноту горения – химический недожог. При расчете его принимают равным

(2 – 3)% для мазута и природного газа.

Значительное увеличение α приводит к снижению температуры t печи, т.к возрастает количество П.Г. – требуется дополнительная энергия для их нагрева и перемещения, большое количество тепла уносится с дымовыми газами (см. рис.4.1.).

Рис.4.1.

Задача сводится к выбору оптимального значения коэффициента избытка воздуха. Состав ПГ при полном сгорании СО₂, Н₂О (пар), SО₂ (сернистый газ), и N₂(азот).

Обычно количество сернистого и углекислого газов находят одновременно RO₂ = СО₂ + SО₂

Определение состава и количества П.Г.

С помощью реакций горения при α= 1 (теоретически необходимый воздух) П.Г. состоят из СО_2, SО₂, Н₂О, N_2.

Для расчета необходимо определить объемы этих газов и просуммировать.

C++=СО₂++

2H₂++KN₂=2Н₂О++

S++KN₂=SО₂++

1K моль С →1к моль СО₂ =22.4 м³.

Из 1кг С образуется 22,4/12=1,867 м³ СО₂.

Из 1кг S – 22,4/32=0,7 м³ SО_2.

Тогда суммарно получим:

Количество влаги: на 1кг Н₂ образуется 2*22,4/2*2=11,2м³(пара).

В топливе содержится влага W_p. Из 1 кг влаги образуется 22,4/18=1,24 м³ пара.

Нужно учитывать влагу распыляющего пара (W^ф) и количество влаги, вносимое воздухом. При заданных условиях – g г/м³ пара(W^ф):

Суммарное количество водяного пара:

м³/кг

Кроме и в П.Г. содержится азот N₂:

азот топлива 22,4/28=0,8[м³];

азот воздуха в количестве К*[м³].

Тогда суммарный азот в м³/кг:

N^p +К*

При α=1 теоретическое количество П. Г. составит:

Если α >1, объем П.Г. возрастает из за дополнительного кислорода, азота и водяного пара.

Тогда объем влажных П.Г. при α>1 составит:

V_α^B=

где: 1 – избыточный кислород;

2 – азот, вводимый с избыточным кислородом;

3 – влага, вносимая с избыточным воздухом.

Пример (Телегин стр.23 – 24, методичка).

Зная состав и количество ПГ, можно определить их состав в %.

Зная состав и количество П.Г. можно определить % состав сухих и влажных ПГ:

Результаты заносим в таблицу.

Состав сухих и влажных ПГ в %

	СО2	Н2О	SО2	N2
Сухие
Влажные

Формула для расчёта содержания данной составляющей в сухих или влажных ПГ в %:

X%=.

Для газообразного топлива количество продуктов горения V – определяем исходя из реакций горения:

где: – (CO₂+SO₂)=RO₂.

N₂ +K

Тогда объем влажных продуктов горения при коэффициенте избытка воздуха α=1:

V₀^В=

При сжигании газа с коэффициентом избытка воздуха α>1:

Таблица 4.2.Эмпирические формулы расчёта количества воздуха и П.Г.

Вид топлива	=1
	Lo	Vo	Lα	Vα
мазут			0	Vα=V0+(α-1)L0
Газ
Газ

Определение теоретической температуры горения топлива:

где: - средняя теплоемкость П.Г. в интервале температур от 0⁰С до t_Т⁰С.(кДж/⁰С);

q_т q_в q_м – тепло вносимое в печь подогретым воздухом, топливом и металлом;

– потери тепла в результате диссоциации П.Г.

Дать анализ формулы (1) и оценить влияние компонент числителя и знаменателя на температуру горения.

Выделить наиболее существенные резервы повышения температуры горения:

1. Подогрев воздуха

   

2. Подогрев топлива

где: - средняя теплоемкость воздуха и топлива при подогреве до заданной температуры.

Можно преобразовать уравнение (1):

I_об=i_х+i_в+i_Т+i_м-i_дис

I_об+ i_дис=i= i_х+i_в+i_Т+i_м

где: i теплосодержание П.Г.: i_в+i_Т+i_м – за счет подогрева воздуха, топлива и металла соответственно;

t_T – теоретическая температура горения топлива.

Существуют графики и таблицы зависимости I_об – t_T (см. Телегин стр.89, методичка).

Зная I_об определяем t_Т с помощью таблицы, после чего определяем температуру горения с учётом потерь:

Iоб	кДж/м3	2785	2955	3170	3385	3625	3890	4190	4520	5015
tТ	оС	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300	2400	2500

;

где: – действительная (пирометрическая) температура печи, с учетом потерь тепла;

=(0.65…0.75) – пирометрический коэффициент.

меньшее значение – щелевые камерные печи;

большее – методические печи, печи с вращающимся подом и т.д.

В практических расчетах для определения температуры горения используют эмпирические формулы.

Итоговые формулы для расчётов.

Объем П.Г. при α=1:

V₀=0.01;

При α>1:

V_α=V₀+(α-1)*(α-1).

Количество кислорода и воздуха

необходимое для горения 1кг топлива:

1. .

Количество теоретически необходимого воздуха:

2. .

Количество действительно необходимого воздуха:

3. .

4) Объем П.Г. при α=1 (теоретический):

V₀=0.01;

При α>1 (действительный):

V_α=V₀+(α-1)*(α-1).

Пример расчета процесса горения

Дано топливо – мазут следующего состава:

Влажностью воздуха пренебречь

L₀=Приближенный расчет:

Количество кислорода в м³:

Состав и количество П.Г.

1. Количество П.Г.:

V_α=V₀+(α-1)*(α-1)=10.83+0.2*2.148+3.76*0.2*2.148 = 12.87м³;

Объем П.Г. при НФУ V_α=12.87м³.

При температуре ПГ =1000⁰С плотность П.Г. снижается в несколько раз, а объем увеличивается в 4,5 раза.

Объем отдельных составляющих продуктов сгорания:

м³/кг^|

Состав ПГ Х=:

Таблица 4.3.

Сухие
Влажные
12.34	9.00	0.04	3.34	75.28

Плотность ПГ:

Теплота сгорания мазута:

Определение температуры горения топлива.

Теплосодержание ПГ за счёт горения топлива (химическое):

Воздух подогреваем до температуры t = 300⁰С (физическое).

3426 - 3385=41(см. Телегин)

3625 – 2100- 240 – 100⁰С

3385 – 2000 41 – х

240 100

Температура горения

Практическая температура горения (пирометрическая):

Учитывает потери тепла в окружающую среду

Теплосодержание ПГ

Воздух подогреваем до температуры = 300⁰С

Приложение. Методичка – теория. Примеры расчёта.