книги из ГПНТБ / Чепель В.М. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий

держиваемой в топке, и пока топка не прогрелась достаточно, горение газа будет наименее устойчивым и наименее эффективным.

Как было указано выше, горючая часть газообразного топлива состоит из водорода, метана, окиси углерода и тяжелых углево­ дородов. При горении соединение их с кислородом воздуха про­ исходит следующим образом.

Г о р е н и е в о д о р о д а . При достаточном количестве воздуха в топке водород при сгорании, соединяясь с кислородом воздуха, образует водяные пары. При этом горении выделяется 2579 ккал тепла с 1 нм3 водорода. Реакция процесса горения водорода записывается в виде: 2Ни -f- Ог = 2ШО, т. е. две моле­ кулы водорода, соединяясь с одной молекулой (двумя атомами) кислорода, образуют две молекулы водяных паров. Такое горе­ ние называется п о л н ы м г о р е н и е м водорода.

Если в топку будет поступать недостаточное количество воз­ духа и л и по каким-либо причинам понизится в ней температура, то часть водорода не сгорит, а уйдет в трубу с отходящими газами.

угарный газ, при достаточном количестве воздуха в топке, сое­ диняясь с кислородом воздуха, образует углекислый газ. При этом горении выделяется 3018 ккал тепла с 1 нм3 окиси углерода. Горение окиси углерода может быть представлено в виде реакции: 2СО Ог = 2СОг, т. е. две молекулы окиси углерода, соеди­ няясь с молекулой кислорода, образуют две молекулы углекислого газа. Такое горение будет полным горением окиси углерода. При неполном горении в результате недостатка воздуха в топке или температуры часть окиси углерода совсем не сгорит и уйдет с отходящими газами.

Г о р е н и е м е т а н а и т я ж е л ы х у г л е в о д о р о ­ д о в . При достаточном количестве воздуха в топке метай сгорает, образуя водяные пары и углекислый газ. При этом горении выде­ ляется 8555 ккал тепла с 1 нм3 метана. Горение метана характери­ зуется реакцией: СШ + 20г = 2ШО + СОг, т. е. одна моле­ кула метана соединяется с двумя молекулами кислорода и обра­ зует две молекулы водяных паров и одну молекулу углекислого газа. Такое горение метана будет полным горением. При неполном горении метана могут быть следующие случаи.

1. Часть метана сгорает, образуя водяные пары и окись угле­ рода вместо углекислого газа. Реакция горения: СШ + Н/гОг = = 2ШО + СО, т. е. одна молекула метана, соединяясь в 1,5 мо­

120 Глава V

реакцией: СШ + Ог =2НгО -f- С, т. е. одна молекула метана, соеди­ няясь с одной молекулой (двумя атомами) кислорода, образует две молекулы водяных паров и один атом углерода. В этом слу­ чае из дымовой трубы может показаться черный дым и на поверх­

Все три случая неполного сгорания метана могут происходить в одно и то же время.

Горение тяжелых углеводородов происходит так же, как и метана, только для сгорания одной молекулы этих газов тре­ буется несколько больше кислорода потому, что молекулы тяжелых углеводородов содержат в себе большее количество водорода и

и три молекулы углекислого газа. При полном горении пропана выделится 21 800 ккал тепла с 1 нм3. Если в топке будет недоста­ точно воздуха или понизится ее температура, горение пропана станет неполным, часть его может совсем не сгореть или сгореть с образованием горючих веществ — окиси углерода и сажи, также, как это было указано для метана.

Очевидно, что при неполном горении метана и других газов выделение тепла в топке будет значительно меньше, чем при пол­ ном горении. Кроме того, в случае оседания сажи на поверхности нагрева котлов перерасход топлива увеличится еще за счет того, что сажа, являясь очень плохим проводником тепла, уменьшит отдачу тепла котлу и увеличит потерю тепла с отходящими газами в дымовую трубу. Отсюда следует, что, сжигая топливо, необхо­ димо добиваться получения полного его сгорания, а для этого необходимо подавать в горелку и топку потребное количество воздуха — в этом и заключается главная задача кочегаров, от хорошего выполнения которой будет зависеть экономичная ра­ бота всей установки.

С о с т а в о т х о д я щ и х г а з о в . Из изложенного выше следует, что продуктами полного сгорания любых горючих газов являются всегда водяные пары НгО и углекислый газ СО2; про­ дуктами неполного сгорания горючих газов могут быть — песгоревпгай водород Нг, окись углерода СО, несгоревший метан СШ, тяжелые углеводороды СПН,П и твердый углерод С в виде частичек сажи.

Однако учитывая, что при горении топлива часть кислорода воздуха успевает пройти через топку, не принимая участия в го­ рении, а азот, содержащийся в воздухе и топливе, вообще в го­

рении участия не принимает, то в состав продуктов сгорания топлива всегда входят еще азот N2 и так называемый свободный кислород О2, не участвующий в горении топлива.

Вышеуказанные продукты сгорания топлива образуют сильно нагретые газы, которые, выйдя из топки, проходят по дымо­ ходам котла или печи, отдают на их нагрев часть своего тепла и отходят в дымовую трубу. При полном сгорании топлива отхо­ дящие газы будут состоять из водяных паров Н 2О и так назы­ ваемых сухих газов — углекислого газа СО2, азота N2 и свобод­ ного кислорода О2. При неполном горении к ним добавятся еще все или часть из перечисленных выше газов неполного горения.

Кроме перечисленных выше газов полного и неполного горе­ ния, в составе отходящих газов могут быть, в случае наличия в горючих газах сероводорода, незначительные количества сер­ нистого газа SO2. Сгорание сероводорода может быть выражено реакцией: H 2S + 1,5 О2 = Н 2О +SO 2, т. е. одна молекула серо­ водорода соединяется с 1,5 молекулами кислорода, в результатечего образуется одна молекула водяных паров и одна молекула сернистого газа.

Количество воздуха, необходимое для горения газов

Из изложенного выше о горении топлива видно, какое боль­ шое значение имеет количество воздуха, необходимое для пол­ ного сгорания топлива. Зная состав горючих газов, реакции горения и атомный вес элементов, участвующих в горении, можно подсчитать количество воздуха, необходимое для полного сго­

ность которого равна 3900 ккал)нм3, теоретически необходимой количествр воздуха составит: 1,1 • 3,9 = 4,29 нм3. Однако если при сжигании топлива в топках давать теоретически необхо­ димое количество воздуха, то добиться полного сгорания то­ плива невозможно.

рючих составных частей топлива было подведено необходимоеколичество молекул воздуха. Поэтому иа практике для полу­

проходит через топку, не соединяясь с топливом. Если же пода­ вать в топку строго теоретически необходимое количество воз­ духа, часть его все же пройдет, пе участвуя в горении; остальной части воздуха для полного горения не хватит, и горение будет неполным. По этим причинам и дают в топку воздух в количе­ стве б о л ь ш е м , чем теоретически необходимо, чтобы о б я ­ з а т е л ь н о п о л у ч и т ь п о л н о е с г о р а н и е т о п ­ л и в а .

Это количество воздуха принято называть д е й с т в и т е л ь ­ н ы м количеством воздуха, необходимым для полного сгорания 1 нм3 газа (или для 1 кг твердого или жидкого топлива). Следо­ вательно, действительное количество воздуха будет тем больше теоретически необходимого количества, чем больше будет из­

рое показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на гореипе топлива, к теоретически необходимому его количеству; иначе говоря, коэффициент избытка показывает, во сколько раз действительное количество воздуха, поступаю­ щее в топку, больше теоретически необходимого количества, при­ нимаемого за единицу. Коэффициент избытка воздуха принято обозначать греческой буквой а (альфа). Например, если гово­ рят, что топка работает при коэффициенте избытка а = 1,5, то это значит, что в топку поступает воздуха в полтора раза боль­ ше теоретически необходимого (или больше его на 50%); если коэф­ фициент избытка воздуха в топке а = 1,1, то это значит, что сжигание топлива идет с избытком против теоретически необхо­ димого количества воздуха в одну десятую, или больше его на

1 0 % .

Сжигание твердого кускового топлива производится при коэффициентах избытка воздуха в топках от а = 1,3 до а = 2. Для газообразного топлива, которое при сжигании значительно легче, чем твердое, может быть перемешано с воздухом, такие избытки воздуха будут слишком велики; сжигание горючих

вания установки конструкции горелок и условий сжигания. Необходимость сжигания топлива полным горением при наи­ меньшем избытке воздуха в топках вызывается стремлением

тем меньше воздуха войдет в нее, тем меньше тепла унесут в трубу ■отходящие газы, и, наоборот, чем больше будет избыток воздуха в топке, тем больше будут потери тепла. Кроме того, увеличение

избытка воздуха обязательно снижает температуру газов в топке, отчего горение топлива будет происходить менее активно и может стать неполным. Отсюда следует, что работа топки с большим избытком воздуха не только приведет к перерасходу топлива, но и к ухудшению работы котла или печи, снизит их выработку и качественные показатели работы. Однако следует помнить, что, добиваясь работы топки с наименьшим избытком воздуха, нельзя его сокращать настолько, чтобы сгорание топлива стало неполным, так как наличие даже небольшой неполноты горения топлива приводит к очень значительным потерям тепла.

Из изложенного выше следует, что подача в топку нужного количества воздуха — главная задача кочегаров, от хорошего выполнения которой зависят качественные показатели работы котлов, печей или других агрегатов. Определение коэффициента избытка воздуха в топке производится в зависимости от показания газоанализаторов — приборов, контролирующих качество сго­ рания топлива.

Температура топки

Поддержание в топке высокой температуры является одним из необходимых условий получения устойчивого и полного сго­ рания горючих газов. Рассмотрим, от каких причин зависит величина температуры в топке и как обеспечить поддержание ее на необходимом уровне. Различают две температуры горения топлива — одну, которую способно развить при сжигании то или иное топливо, и другую, получаемую фактически при сжигании этого топлива в топке.

Первая температура называется калориметрической темпера­ турой горения топлива. Она может быть получена при условии сжигания топлива полным горением в теоретическом количестве воздуха (при а = 1) и при условии, что все выделенное топливом тепло пойдет на нагрев газов, полученных от его сгорания. Вели­ чина этой температуры, называемой еще жаропроизводительностыо топлива, оказывается, зависит не только от его тепло­ творной способности, но и от объема газов, получаемых при его сгорании, и их теплоемкости.

Калориметрическая температура, или жаропроизводительность, некоторых горючих газов приводится в табл. 4.

Из табл. 4 следует, что большинство горючих газов способно развить при горении температуры свыше 2000° С, что дает воз­ можность употреблять их как топливо не только для отопления котлов, но и в печах и при других производственных процессах, где необходима высокая температура, которую, например, на твердом топливе получить невозможно. В топках котлов и печей получение калориметрической температуры невозможно по следу­ ющим причинам.

и печей может происходить при некотором избытке воздуха про­ тив теоретически необходимого, иначе горение будет неполным. Следовательно, с увеличением избытка воздуха в топке темпера­ тура в ней будет снижаться, так как на нагрев лишнего воздуха будет затрачиваться тепло. Как влияет величина избытка воз­ духа на температуру топки, можно судить по следующим данным. Как видно из табл. 4, калориметрическая температура горения природного газа составляет 2020°С (при а = 1).

2.Ввиду наличия в топках котлов так называемой «прямой отдачи», т. е. передачи части тепла от пламени горящего газа поверхности нагрева котла путем лучеиспускания. Влияние «прямой отдачи» на температуру топки зависит от устройства последней: чем больше будет «прямая отдача», тем ниже будет температура в топке.

3.Температура топки зависит от полноты сгорания топлива и, в случае неполного его сгорания, тепла в топке выделится меньше и температура ее понизится.

Вследствие указанных причин температура в топках котлов и печей всегда ниже калориметрических температур, указанных в табл. 4, и поддерживается в пределах от 1000 до 1600° С. Необхо­ димые для успешного протекания технологических процессов, происходящих в металлургических и некоторых других печах, более высокие температуры горения получаются путем подогрева газа или воздуха, поступающих в горелки, до температуры-300— 400° С, а в некоторых случаях и значительно выше (до 800— 1000° С).

Подогрев высококалорийных газов сам по себе немного по­ вышает температуру горения. Так, например, подогрев Саратов­

щих в дымовую трубу газов в специальных устройствах,

температуру и качество горения газа. Как велико значение под­ держания в топках высокой температуры для успешного проте­ кания процесса горения газа и эффективной работы всей уста­ новки, можно заключить из того, что при температуре в топке

а следовательно, и качество сгорания газа и уже при 1200— 1300° С газ может сгорать почти мгновенно, конечно, при нали­ чии достаточного количества воздуха и хорошего перемешивания с ним. Кроме того, чем выше будет поддерживаться в топке темпе­ ратура, тем большее количество тепла может быть передано поверхности нагрева котла или нагреваемым изделиям печей, особенно путем «прямой отдачи», в результате чего работа установок станет производительнее и экономичнее.

Следует учесть, что повышение температуры в топке выше 1800° С вызывает снижение эффективности ее работы за счет ча­ стичной диссоциации продуктов полного сгорания газа — угле­ кислоты — СОг и водяных паров — НЮ, т. е. их разложение на составные части, сопровождающееся поглощением тепла. Кроме того, при высоких температурах в топке происходит бо­ лее быстрый износ их огнеупорных материалов. Поэтому под­ держание в топках особо высоких температур нужно в тех слу­ чаях, когда этого требует технологический процесс, происхо­ дящий в установке, например, плавка металлов, стекольной массы и других материалов, имеющих высокую температуру плавления. Возможность получения в топках котлов и печей той или иной температуры определяется их соответствующим устройством на основании тепловых расчетов. Обслуживающий же котлы и печи персонал, для получения их экономичной и высоко производительной работы должен добиваться поддер­ жания в топке более высокой температуры путем сжигания газа по возможности с наименьшим избытком' воздуха против теоре­ тически необходимого количества; в то же время он должен сле­ дить, чтобы горение было полным.

Контроль над процессом горения

Судить о качестве горения газа в топке можно по цвету его пламени, цвету дыма в дымовой трубе и по показанию специаль­ ных приборов. Вследствие того, что цвет пламени газа зависит

от способа его сжиганий и типа горелок, контроль по цвету пла­ мени мы рассмотрим при ознакомлении с горелками.

Контроль за качеством горения горючих газов по цвету дыма, выходящего из трубы, очень прост. При полном их сгорании, как известно, образуются водяные пары и углекислый газ, не имеющие цвета. Следовательно, при полном сгорании горючих газов дыма из трубы видно не будет, а в холодное время года может быть виден лишь водяной пар. В случае подачи в топку лишнего воздуха, картина будет та же и только в случае недо­ статка воздуха или падения в топке температуры, вследствие чего горение метана или тяжелых углёводородов станет непол­ ным, из трубы может показаться черный дым (сажа). Следова-

углерода и водорода,

тельно, по цвету дыма, выходящего пз трубы, можно определить качество горения только тогда, когда горение газа станет непол­ ным. При сжпгании газообразного топлива, не имеющего в своем составе метана и тяжелых углеводородов, этот способ применим быть не может, так как образование сажи вообще исключается.

Наиболее совершенным методом контроля за полнотой горе­ ния топлива и поступлением воздуха в топку является анализ отходящпх в дымовую трубу газов лрп помощи приборов, назы­ ваемых газоанализаторами. Газоанализаторы бывают автомати­ ческие и неавтоматические (ручные).

Автоматические газоанализаторы, действующие при помощи электрического тока, отбирают из дымохода за котлом или печыо небольшую часть отходящпх газов и определяют, сколько имеется в них углекислого газа СО2, окиси углерода и несгоревшего водорода СО + Нз.

Стрелки указателей газоанализаторов (рис. 54) показывают кочегару СОз-и СО + Нг в объемных процентах. Для правиль­ ного ведения процесса сжигания горючих газов по газоанализа­ тору кочегар должен помнить о следующем.

128 Глава V

только теоретического количества воздуха (без избытка^ то в ре­ зультате горения топлива оно дало бы наибольший процент угле­ кислого газа СО2; величины его для некоторых горючих газов приводятся в табл. 5.

Сравнивая максимальный процент СО2 для какого-либо топ­ лива с процентом СОг в топке, полученным при помощи газо­ анализатора, можно определить коэффициент избытка воздуха, с которым работает топка. Для этого нужно максимальный про­ цент СОг разделить на процент СОг, полученный по анализу, т. е.

СОг максимальное

а — -------------- —— .

СОг анализа

Пример: сжигаем саратовский газ; СОг по показанию газо­ анализатора = 9%, СОг максим, из табл. 5 = 11,7%. Коэф­ фициент избытка воздуха в топке

количество воздуха, поступающего в топку, на 30% больше тео­ ретически необходимого. Однако такой контроль за избытком воздуха в топке по % СО2 при сжигании смешанного газового топлива оказывается неточным и приводит к снижению к. п. д. установки, потому что различные горючие газы, входящие в смесь, имеют свои различные составы и величину СОг макси­ мального. Так, например, Московский смешанный газ состоит из природного, коксового, нефтяного н генераторного («водяного»)

чительно (от 10,5 до 12,5%). Поэтому практически невозможно установить и величину определенного, наивыгоднейшего % СО2 в продуктах горения, которого следует придерживаться, и работа топки временами происходит или с повышенными избытками воздуха, или с значительной неполнотой сгорания газа. Поэтому Оргрес рекомендует при сжигании смешанных газов опреде­ ление коэффициента избытка воздуха в топке производить по количеству свободного кислорода Ог, т. е. кислорода воздуха, не принявшего участия в горении топлива. Зависимость между содержанием свободного кислорода Ог в продуктах горения и коэффициентом избытка воздуха в топке отражена в табл. 6.