3. Основы теории горения топлива
Процессом горения называется реакция соединения вещества с кислородом, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением.
В результате процесса горения скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Для успешного проведения процесса горения необходимо создать определенные условия.
Горение топлива производится в атмосферном воздухе, который содержит:
в объемном соотношении ~ 21 % O2 и ~ 79 % N2 (включая ряд других газов и примесей);
в весовом соотношении 23,2 % O2к76,8 % N2.
Поэтому в продуктах сгорания всегда присутствует азот, а при горении топлива с избытком воздуха - кислород.
Стехиометрические уравнения реакций горения топлива
В процессе горения принимают участие только горючие составные части топлива. При этом происходят следующие химические процессы:
1) Реакция горения углерода:
- весовые соотношения
аналогичные молярные, весовые а так же объемные соотношения можно написать для реакций горения остальных горючих элементов
Приведенные стехиометрические уравнения являются итоговым результатом и не отражают всей сложности механизма реакции горения.
Горение топлива может быть полным - с образованием негорючих продуктов (С02, Н20 и S02) и неполным, когда в составе продуктов сгорания присутствуют CO, CH4, H2 и углеводороды CmHn.
Обычно показателем неполного сгорания топлива является присутствие в продуктах сгорания топлива окиси углерода - СО.
Теоретическое и действительное количество воздуха:
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, может быть рассчитано из стехиометрических уравнений горения.
Количество кислорода, необходимое для сгорания 1 кг мазута, за вычетом кислорода, содержащегося в самом топливе, определяется по формуле:
Учитывая, что в воздухе содержится ~ 21 % кислорода, получим теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг мазута:
На практике это значение может достигать:
для главных котлов -а = 1,1,1,2
для современных котлоагрегатов - а = 1,03 +1,05
для вспомогательных котлов -а = 1,2, 2,0
Коэффициент избытка воздуха зависит от ряда факторов: совершенства организации топочного процесса, аэродинамических характеристик топки, качества распыливания топлива, рода топлива и т.д.
Снижение коэффициента избытка воздуха всегда приводит к неполноте сгорания топлива, что в свою очередь способствует уносу частичек топлива вместе с дымовыми газами и снижает КПД котла. Повышение а приводит к затратам тепла (и топлива) на нагревание «лишнего» воздуха, поступающего в топку котла и также снижает КПД котлоагрегата.
Внешними признаками качественного горения топлива являются:
оптимальное для данной нагрузки котла соотношение «топливо-воздух» при бездымном горении;
равномерное горение без взрывов, хлопков, вибраций фронта котла;
отсутствие в дымовых газах СО и соответствие значения С02 значению в формуляре котла;
отсутствие коксования топлива на кирпичной кладке и поверхностях нагрева;
отсутствие догорания топлива в газоходах.
Оценка качества горения только по отсутствию дымления может привести к грубым ошибкам, так как бездымное горение может быть реализовано в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха от 1,2 до 2 и более. Косвенно судить о качестве процесса горения можно по цвету пламени. При нормальном горении топлива цвет факела должен быть яркого соломенно-желтого или светло-оранжевого цвета. Красный или темно-оранжевый цвет факела с появляющимися темными полосами и черным дымом из дымовой трубы говорит о низком значении коэффициента избытка воздуха, ярко-белый цвет факела с отдельными искрами и появлением белого дыма из дымовой трубы означает избыток подаваемого воздуха.
При теплотехнических испытаниях котла, проводимых с целью определения его показателей, всегда определяют коэффициент избытка воздуха по результатам анализа дымовых газов. При этом обычно пользуются следующими формулами:
где: RO2,O2,CO,N2 - процентные содержания соответственно: трехатомных газов (RO2, CO2 и аналогичных), кислорода, окиси углерода и азота в продуктах сгорания, определяемые с помощью газоанализаторов при работе котла. Определение суммарной концентрации трехатомных газов происходит из-за того, что газоанализатор не может определять концентрации этих газов по отдельности, а показывает суммарную их концентрацию.
Для определения коэффициента избытка воздуха по последней формуле необходимо сначала определить содержание в сухих газах RO2 и O2, а содержание N2 находят как N2 =100-(RO2+O2).
При эксплуатации котла для определения коэффициента избытка воздуха можно пользоваться приближенной формулой:
Энтальпия продуктов сгорания.
В топке парового котла при сжигании топлива выделяется тепло, которое передается продуктам сгорания и идет на повышение их температуры. При движении продуктов сгорания через поверхности нагрева происходит процесс передачи тепла от газов к воде и пару. При этом температура продуктов сгорания уменьшается.
Тепловое состояние продуктов сгорания характеризуется их энтальпией, которая является основным параметром тепловых эффектов в процессах подвода и отвода теплоты.
Энтальпией продуктов сгорания называется количество теплоты, необходимое для нагревания продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг топлива, от 0 'С до заданной температуры - t .
Количество тепла, полученное продуктами сгорания, можно определить по формуле:
где: Vr - полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива [нм3/кг];
СР - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания [кДж/нм3 -°Ц;
t1ut2 - высший и низший температурные уровни продуктов сгорания;
Приняв t2 = 0, и учитывая, что процессы горения и теплообмена являются изобарными, величину Q можно назвать энтальпией продуктов сгорания:
Эта диаграмма представляет собой семейство кривых, построенных по расчетам воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива данного состава и определения объемов компонентов продуктов сгорания.