Количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг (м3) топлива
при условии безостаточного использования кислорода, называют теоретически необходимым объемом воздуха в0. В этом случае теоретический объем продуктов сгорания составит г0 . Для обозначения объемов,
соответствующих теоретическим условиям горения, вводится индекс 0.
В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха в0 вследствие несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (1–2 с). Поэтому для обеспечения достаточно полного сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы котлов, действительный объем воздуха всегда несколько больше теоретического. Отношение этих объемов называют
коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания |
|
||
|
в |
|
|
= |
|
. |
|
в0 |
11 |
||
Необходимый коэффициент избытка воздуха в топке αт зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Эффективное перемешивание топлива с воздухом достигается в газовоздушных смесях, поэтому сжигание мазута и газового топлива требует наименьшего избытка воздуха. Расчетный коэффициент αт устанавливается с учетом всех факторов, обычно его принимают для разных топлив в пределах:
При сжигании жидких и газовых топлив 1,03–1,05 Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышает КПД котла, однако его снижение ниже расчетного значения αт ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности котла.
12
При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в
газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через возникающие в местах
сопряжения отдельных его элементов неплотности (трещины и зазоры в слоях
обмуровки, местах прохода через обмуровку труб и т. п.). За счет этого объем продуктов сгорания увеличивается, растет избыток воздуха, снижается температура газов.
Присосы определяются в долях теоретически необходимого объема воздуха
∆ = ,в0
где , – объем присосанного воздуха в пределах i-й поверхности парового котла.
Тогда избыток воздуха за i-й по порядку поверхностью нагрева определяется как
|
= + |
|
. |
|
|
т |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
В топочной камере также имеют место присосы воздуха ∆ т. С учетом этого |
||||
избыток воздуха в зоне горения будет составлять: |
|
|
||
|
гор = т − ∆т. |
13 |
||
Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах:
ух = т + ∆шп + ∆кпвд + 2 ∙ ∆ппп + ∆эк + ∆рвп
В газоходах котла, где отсутствует рециркуляция дымовых газов объемы газов и энтальпия потока газов определяется по следующим зависимостям.
Объем газов, определяемый за любой поверхностью котла, можно найти по следующей формуле:
= г0 + 1,0161 − 1 в0.
Объем уходящих газов составит: ух = г0 + 1,0161 ух − 1 в0.
м3 м3
Размерность: м3, либо кг.
Энтальпию продуктов сгорания определяют для объема газов, полученного при сгорании 1 кг или 1 м3 топлива и обозначают через H, кДж/кг, или кДж/м3.
Энтальпия газов при избытке воздуха >1 определяется из уравнения
г = г0 + − 1 в0,
где г0 – энтальпия теоретического объема газов; в0 – энтальпия теоретического объема воздуха.
В газоходах котла, где поток увеличен на долю рециркуляции газов объемы газов и энтальпия потока газов определяется по следующим зависимостям.
|
= 0 |
+ 1,0161 |
|
− 1 |
0 |
∙ |
1 + ; |
|
|
|
г |
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
= 0 |
+ − 1 0 |
∙ 1 + . |
14 |
|||||
|
г |
г |
|
|
в |
|
|
|
|
15
16
При сжигании всех видов органических топлив образуется большое количество оксидов азота, способствующих загрязнению атмосферного воздуха. К оксидам азота относят следующие соединения: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. На практике лишь оксид NO и диоксид NO2 азота имеют значение с точки зрения экологии, их сумму в пересчете на диоксид азота обозначают NOx. Оксиды азота на 40-50 % определяют токсичность дымовых газов при сжигании угля и мазута, и на 90-95 % при сжигании природного газа. Около 95-99 %, образовавшихся в котле оксидов азота NOx, составляет NO, затем в атмосфере 40-80 % оксида азота, находящегося в дымовой струе доокисляется до NO2.
Оксиды азота при горении топлив могут образовываться из молекулярного азота воздуха и азотосодержащих компонентов топлива. Известны три вида механизмов их образования: термический, топливный и быстрый. При сжигании природного газа образуются термические и быстрые NOx, а при сжигании мазута, либо угля – термические и топливные NOx.
17
Образование термических оксидов азота: эти реакции характеризуются высокой энергией активации и протекают при температурах не ниже 1800 оК.
На образование термических оксидов азота оказывает влияние три фактора: коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения; уровень температур в зоне горения; время пребывания частиц топлива в зоне температур свыше 1800 оК.
Характер влияния температуры в зоне горения на выход NO – экспоненциальный. Влияние избытка воздуха имеет экстремальный вид, максимум которого приходится на αкр = 1,10…1,25 и мало зависит от вида топлива.
Топливные оксиды азота образуются из связанного азота жидких и твердых топлив.
Быстрые оксиды азота образуются в корневой части факела. Реакция характеризуется высокой скоростью. Быстрые оксиды характерны для углеводородных топлив. Доля быстрых NO в общем количестве образовавшихся NOx обычно мала, и составляет около 10-15 %.
18
Таким образом, снижение выбросов оксидов азота путем воздействия на топочную аэродинамику и условия горения можно обеспечить следующими мероприятиями:
-сжиганием топлив при малых избытках воздуха (диапазон применения ограничивается значительным возрастанием недожога топлива);
-рециркуляцией продуктов сгорания в топочную камеру
(наибольший эффект по снижению выхода NOx достигается при введении рециркуляции непосредственно в горячий воздух перед горелками);
-стадийным и ступенчатым сжиганием органических топлив;
-применением топочно-горелочных устройств с малым выходом оксидов азота.
Эти мероприятия в основном направлены на снижение максимальных температур в зоне активного горения, уменьшение концентрации кислорода и создание восстановительной среды для уже образовавшихся NO.
19