4.4. Газовое топливо

В качестве газового топлива в энергетике используется преимущественно природный газ. В значительно меньших масштабах, главным образом в промышленной энергетике, находят применение различные виды искусственных горючих газов.

Важнейшими для энергетики характеристиками газового топлива являются теплота сгорания, плотность, концентрационные пределы взрываемости газа в смеси с воздухом.

Плотность газа по отношению к плотности воздуха определяет возможность скопления газа в верхней или нижней части помещений или установок. Плотность природного газа в нормальных условиях составляет 0,74 кг/м³. Концентрационные пределы взрываемости смесей газового топлива с воздухом характеризуют диапазон концентраций, в пределах которых эти смеси способны взрываться при наличии источника зажигания. Для природного газа в смеси с воздухом концентрационные пределы взрываемости составляют 5-15 %. Концентрационные пределы взрываемости могут быть расширены за счет предварительного подогрева воздуха либо газа.

Рис. 4.4. Технологическая схема подготовки к сжиганию газового топлива: 3 – фильтр; 4 9 – обратный клапан; 10 – регулятор давления топлива; 11 – измеритель расхода топлива; 13 – предохранительный клапан; 14 – быстродействующий клапан.

Перед подачей природного газового топлива в магистральные трубопроводы его подвергают переработке на специальных заводах, которая включает в себя очистку от сероводорода и диоксида углерода, извлечение высших углеводородов, осушку. Завершающая операция – одоризация (придание газу запаха)  осуществляется введением меркаптанов, которые позволяют легко обнаружить присутствие газа в воздухе. Применение природного газа чрезвычайно широко. Особенность использования – сложность хранения, хотя и существуют подземные хранилища газа, которые используются для обеспечения постоянства расхода транспортируемого газа. Поэтому при использовании газообразного топлива всегда предусматривается резервное топливо – уголь или мазут.

Теплота сгорания природного газа находится в пределах = 33-38 МДж/м³, и она тем ниже, чем меньше высших углеводородов содержится в газе.

5 Материальный и тепловой баланс процессов горения

5.1. Теоретически необходимое количество воздуха и объемы продуктов сгорания

Под теоретически необходимым понимают количество воздуха, которое требуется для полного окисления 1 кг твердого или жидкого либо 1 м³ газообразного топлива. При этом считают, что кислород топлива затрачивается на окисление горючих элементов. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания вычисляют из стехиометрических уравнений реакций горения, записанных для каждого горючего составляющего, т. е. углерода, серы и водорода:

С + О₂ = СО₂, S + O₂ = SO₂, 2H₂ + O₂ = 2H₂O.

На один килограмм углерода требуется 32/12 килограмма кислорода, на 1 кг серы требуется 32/32 килограмма кислорода, на 1 кг водорода требуется 32/4=8 килограмм кислорода. Доля соответствующих горючих элементов в 1 килограмме твердого или жидкого топлива составляет соответственно: , , , плотность кислорода в нормальных условиях = 32/22,4 = 1,429 кг/м³. Тогда суммарный объем кислорода необходимый для полного окисления горючих элементов топлива составит, м³/кг,

. (5.1)

Учитывая, что в данном объеме воздуха содержится 21 % кислорода, и подставляя численное значение для плотности кислорода, в окончательном виде получим выражение для расчета теоретически необходимого количества воздуха при сжигании твердого или жидкого топлива в виде, м³/кг,

. (5.2)

Теоретически необходимый объем кислорода для окисления 1 м³ газообразного топлива рассчитывают по стехиометрическим уравнениям реакций для газообразных компонентов топлива:

2СО+О₂=2СО₂, 2Н₂+О₂=2Н₂О, 2Н₂S+3O₂=2SO₂+2H₂O,

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О, С_mH_n+(m+n/4)O₂=mCO₂+0,5n×H₂O.

На окисление одного объема оксида углерода и водорода требуется по пол-объема кислорода, на окисление одного объёма сероводорода требуется полтора объёма кислорода, на окисление одного объёма метана требуется два объёма кислорода и, наконец, на окисление одного объёма углеводорода состава С_mH_n требуется (m+n/4) объёмов кислорода. Переводя процентное содержание газообразных компонентов в доли и учитывая объёмное содержание кислорода в воздухе (1/100/0,21=0,0476), получим выражение для расчета теоретически необходимого объема воздуха для окисления 1 м³ газообразного топлива в виде, м³/м³,

. (5.3)

Для обеспечения полного выгорания топлива в топке воздух подают в количестве всегда несколько большем теоретически необходимого. Отношение действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха .

При тепловых расчетах котла энтальпию продуктов сгорания за каждой поверхностью нагрева определяют по составу дымовых газов и температуре. Для расчета энтальпий продуктов сгорания необходимо с достаточной точностью рассчитывать объемы продуктов сгорания. Реакции горения при высоких температурах идут с большой скоростью, поэтому состав конечных продуктов близок к равновесному. Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м³ газообразного можно записать в следующем виде:

. (5.4)

При полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м³ газообразного , а также отсутствии избыточного воздуха в образующихся газообразных продуктах должны содержатся лишь продукты полного окисления горючих элементов СО₂, SО₂, Н₂О и азот воздуха N₂. Получающиеся в этом случае объемы газов называют теоретическими:

. (5.5)

Теоретический объем сухих трехатомных газов при сжигании твердого и жидкого топлива составит, м³/кг:

. (5.6)

При сжигании газообразного топлива объем сухих трехатомных газов составит, м³/м³:

(5.7)

Теоретический объем азота:

• при сжигании твердого и жидкого топлива, м³/кг:

; (5.8)

• при сжигании газообразного топлива, м³/м³,

(5.9)

Теоретический объем водяных паров включает влагу, образующуюся при окислении водорода топлива за счет перехода влаги топлива в газообразное состояние, за счет влаги, содержащейся в воздухе:

(5.10)

где – влагосодержание, принимаемое в расчетах равным 0,01 кг/кг; и - плотность воздуха и водяных паров соответственно, м³/кг; G_ф – удельный расход пара на распыл мазута (обычно составляет 0,3 кг/кг при использовании паровых форсунок).

При сжигании газообразного топлива, м³/м³:

. (5.11)

Избыточное количество воздуха приводит к увеличению объема азота и водяных паров в продуктах сгорания. Кроме того, в продуктах сгорания появляется кислород . Таким образом, действительный объем продуктов сгорания может быть рассчитан так, м³/кг (м³/м³):

. (5.12)

Объем сухих газов, м³/кг (м³/м³):

(5.13)

Итак, отношение действительно поданного на сжигание топлива к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

. (5.14) (5.17)

В практике значение коэффициента избытка воздуха фиксируют на выходе из топочной камеры и обозначают _т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает. Оно относится по условиям горения к реакционным топливам, поэтому нуждается в меньшем избытке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих веществ. Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигается при использовании газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха _т нормируется в зависимости от указанных факторов. Обычно его принимают для разных топлив в следующих пределах:

для твердых 1,151,25,

жидких 1,021,1,

для газовых 1,051,1.

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения _т ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки _т равен его значению в горелке _гор и сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными (исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель).

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через возникающие неплотности (чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла).

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов (рис. 5.1). Присосы определяются в долях от теоретически необходимого воздуха

, (5.15)

где Vi — объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Рис.5.1. Места присоса холодного воздуха в газовый тракт котла

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

. (5.15)

В топочной камере также имеют место присосы воздуха _т. С учетом этого избыток воздуха в зоне горелок будет составлять

. (5.16)

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла, можно найти по следующей формуле:

, (5.17)

где _ух = _т + _пе + _вт + _эк + _вп (см. рис. 4.12).

Объем V_ух состоит из объема продуктов полного сгорания топлива и всего избыточного воздуха V_изб, которое можно разделить на две составляющие:

, (5.18)

где (_т-1) — избыток воздуха в зоне горения.

Первое слагаемое в формуле (5.18) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое — вредные присосы холодного воздуха в последующих поверхностях нагрева.

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом — путем определения процентного содержания RO₂=CO₂+SO₂ в сухих газах при известном для данного топлива максимально возможном значении RO . Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при ά = 1 и О₂ = 0):

. (5.19)

где _т — топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива

. (5.20)

Значения RO для видов топлив находятся довольно в узких пределах:

для твердых — 18-20%,

для мазута — 16-17%,

для природного газа — 11-13%.

В этом случае для определения избытка воздуха используют углекислотную формулу

. (5.21)

Значение RO₂ определяют в составе исследуемого газа ручными газоанализаторами либо на хроматографе.

В настоящее время наиболее широко применяется прямой метод определения избыточного кислорода в потоке дымовых газов. В этом случае контроль за избытком воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. При постоянном протоке через прибор небольшой доли дымовых газов из заданного места газового тракта из них выделяется кислород, обладающий специфическими магнитными свойствами. Прибор показывает количества О₂ в процентах от объема осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

. (5.22)

С учетом ранее сказанного объем V_с.г   , тогда

. (5.23)

и окончательно искомое значение избытка воздуха

. (5.24)

Если в дымовых газах есть заметное количество продуктов неполного сго­рания (СО, Н₂), то нельзя весь кислород считать избыточным. Часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов, тогда формула

(5.24) примет вид

(5.25)

где СО, Н₂ – процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.

Контроль за избытком воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта: в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение О₂ в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха на выходе из топки технически затруднительно и неудовлетворительно до требуемой точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.