Расчет горения топлива. Методические указания к практическим занятиям по курсам «Теория горения», «Теплоэнергетика металлургического производства», «Ф

345

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра промышленной теплоэнергетики

РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим занятиям по курсам «Теория горения»,

«Теплоэнергетика металлургического производства», «Физико-химические процессы в теплоэнергетике» направления «Теплоэнергетика и теплотехника»

Составители: В. Д. Коршиков, Т.Г. Мануковская, А.Г.Арзамасцев

Кадры для региона.

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

1

УДК 626.61 (07) К 704

Рецензент И.Г. Бянкин

Коршиков, В.Д.

К 704 Расчет горения топлива: методические указания к практическим занятиям по курсам «Теория горения», «Теплоэнергетика металлургического производства», «Физико-химические процессы в теплоэнергетике» направления «Теплоэнергетика и теплотехника». /

В.Д. Коршиков, Т.Г. Мануковская, А.Г. Арзамасцев. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 34 с.

Приведены методики расчета горения твердых и газообразных топлив, в

том числе неполного горения и при обогащении дутья кислородом.

Методические указания предназначены для студентов физико-

технологического факультета направления «Теплоэнергетика и теплотехника»,

а также для студентов других специальностей при изучении учебных дисциплин (или разделов), включающих расчеты горения топлива. Данные методики могут быть использованы в процессе самостоятельной работы студентов и при выполнении дипломных и курсовых проектов.

Табл. 23, Библиогр.: 6 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

2

3

1. Общие понятия теории горения топлива

Топливом называют вещество, выделяющее при определенных условиях большое количество тепловой энергии, которую используют в различных отраслях народного хозяйства для получения водяного пара или горячей воды систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и производства электроэнергии. В теплогенерирующих котельных установках применяют органическое топливо, которое по агрегатному состоянию делят на твердое,

жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное. Естественные виды топлива: уголь, торф, сланцы, древесина,

природный газ, попутный газ нефтяных и сланцевых месторождений.

Искусственные (синтетические, композиционные): топливные брикеты,

торфяной кокс, дизельное и соляровое топливо, мазут (топочный, бытовой),

топливные эмульсии и суспензии, доменный, коксовый, ферросплавный газы.

Горением называется интенсивный процесс экзотермического окисления горючего вещества, сопровождающийся выделением значительного количества тепловой энергии. Особенности процесса горения, отличающие его от родственных процессов окисления: высокая температура, быстротечность по времени, изменение концентрации компонентов, структуры и формы поверхности фронта горения во времени.

Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива,

называется его теплотворностью, или теплотой сгорания и измеряется в кДж/кг или кДж/м3. Теплота сгорания – основной параметр органического топлива, характеризующий его энергетическую ценность.

Различается высшая и низшая теплота сгорания. За высшую

теплотворность принимается количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1

м3) рабочего топлива, причем считается, что водяные пары, образующиеся от сгорания водорода и испарения влаги топлива, конденсируются. Низшей теплотой сгорания топлива нр называется количество теплоты, выделенное 1 кг

(или 1 м3) рабочего топлива, без учета конденсации водяных паров.

4

В реальных условиях водяные пары уходят в атмосферу не сконденсировавшись, и поэтому в процессе расчетов определяется низшая теплота сгорания топлива.

2. Исходные данные для расчета горения топлива

Исходными данными для расчета горения топлива являются:

1) химический или элементарный состав;

2)содержание влаги, отнесенное к 1м3, г/м3или 1 кг топлива;

3)коэффициент избытка воздуха;

4)состав сухого воздуха горения: О2, (%) и N2, (%).

Состав твердого и жидкого топлив задается в процентах по массе, а

газообразного - в процентах по объёму.

Коэффициент избытка воздуха показывает отношение поступившего на горение воздуха (Vв) к теоретическому объему воздуха (V0), необходимому для полного сжигания топлива в соответствии со стехиометрическими уравнениями.

С целью экономии топлива и повышения температуры горения необходимо принять минимальное допустимое по условиям полноты сжигания топлива значение коэффициента расхода воздуха. Это значение для данного вида топлива зависит в основном от типа горелочного устройства.

По степени смешения газа с воздухом горелки делятся на три группы:

с полным предварительным смешением, или беспламенные;

без предварительного смешения, или пламенные;

с частичным смешением.

Горелки первой группы обеспечивают полное сжигание газа в небольшом объеме при коэффициенте расхода воздуха = 1,00 ÷ 1,05, что обеспечивает высокую температуру горения. Эти горелки дают бесцветный короткий факел.

По условиям взрывоопасности подогрев воздуха ограничен температурой

500 600 . Разновидностью этих горелок является инжекционная горелка.

5

При использовании инжекционных горелок отпадает необходимость в системе воздухопроводов и вентиляторе, а также в регуляторе соотношения газ–воздух.

Для повышения эффективности работы оборудования целесообразно подогревать воздух горения за счет тепла уходящих газов, что делает применение инжекционных горелок невозможным.

Горелки без предварительного смешения работают с коэффициентом избытка воздуха = 1,10 ÷ 1,15 и характеризуются длинным светящимся факелом в направлении движения. Благодаря отсутствию предварительного смешивания, подогрев газа и воздуха по условиям взрывоопасности не ограничен. Эти горелки компактнее инжекционных, могут быть рассчитаны практически на любую производительность и позволяют изменять расход газа в широких пределах. Все это обеспечило их широкое применение.

В тех случаях, когда требуется иметь короткое, но светящееся пламя,

используются горелки с частичным смешением. В этих случаях в зависимости от конструктивного оформления степень предварительного смешения может изменяться в широких пределах, их характеристики являются промежуточными по сравнению с рассмотренными выше. Обогащенный кислородом воздух обеспечивает полное горение топлива при меньшем избытке воздуха.

3. Основы расчёта горения топлива

Методика расчёта сгорания топлива включает в себя:

1)определение теоретического расхода воздуха V0, необходимого для сгорания единицы количества топлива (1 кг для жидкого и твердого топлива или 1 м3 для газообразного), и действительного расхода воздуха Vв, м3/кг или

м3 /м3;

2)определение объема продуктов сгорания (дымовых газов) п, м3/кг или

м3/м3;

3)определение состава продуктов горения в процентах по объему и

парциального давления трехатомных газов, требующихся при расчете

6

теплообмена (газового излучения) при заданном коэффициенте избытка воздуха, а так же плотности топлива и продуктов горения, кг/м3;

4)определение энтальпии дымовых газов при требующихся температурах и избытках воздуха, кДж/кг или кДж/м3;

5)определение калориметрической температуры горения топлива.

3.1. Последовательность расчета полного горения твердого и жидкого топлива

В составе твёрдого и жидкого топлива содержится сера. Для упрощения расчета количество серы присоединяют к количеству углерода. Определяемое таким способом расчетное количество углерода будет равно:

Теоретический объем воздуха в0, затрачиваемого на сгорание топлива, и

газов, образующихся в результате горения, обычно относят к нормальным условиям (t=0°С и P=101,3 кн/м2).

Основные расчетные зависимости даны в таблице 1 (строка «Итоговые

формулы»)

9

Калориметрической называют температуру, до которой нагрелись бы продукты полного сгорания, если бы всё тепло топлива и воздуха пошло на нагревание газов. Для этого случая тепловой баланс выражается следующим образом:

где нр – низшая теплота сгорания топлива на единицу количества топлива,

кДж/кг; к – энтальпия дымовых газов при калориметрической температуре сгорания к , кДж/кг; т, в – физическое тепло топлива и воздуха соответственно на единицу количества топлива, кДж/кг.

Из уравнения (12) следует:

Как видно из формулы (13) входящие в знаменатель средние теплоёмкости продуктов сгорания являются функцией искомой калориметрической температуры, которая в традиционных расчётах преимущественно определяется методом подбора.

В таблицах 2 и 3 приведены сведения о характере зависимостей теплоёмкостей дымовых газов и воздуха, подаваемого в топку для сгорания топлива, от температуры. Для жидкого или твёрдого топлива зависимость средней массовой теплоёмкости от температуры несущественна.

Таблица 2

Зависимость средней теплоёмкости воздуха, подаваемого в топку от температуры

10