2 Горіння палив

2.1 Поняття про горіння палив

Горіння палива є окислювальним процесом, що протікає між горючими речовинами палива і окислювачем, яким найчастіше використовується кисень повітря. При розгляді процесів горіння приймаємо, що у склад повітря входять (об'ємних відсотків) 21 % O₂ і 79 % N₂ кисню і азоту відповідно.

Горіння палив протікає з великими швидкостями з виділенням величезної кількості теплоти, чим і відрізняється від окислювального процесу при гнитті органічних речовин.

Становлення науки про горіння пов'язане з розвитком хімії, фізики і фізичної хімії. У 1661 році Роберт Бойль пояснював горіння як передачу вогненної матерії випалюваному металу. На початку XVIII ст. М.В.Ломоносов показав, що в горінні бере участь повітря. У 1773 р. Лоран Лавуазье показав, що повітря складається з азоту, який не бере участь в горінні, і кисню, який з'єднується з речовиною в процесах горіння. З тих пір горіння отримало теоретичну основу, на базі якої розвивається в даний час.

Подальший розвиток науки про горіння пов'язаний з роботами Менделєєва, який створив методи розрахунку процесів горіння. У розвитку сучасної теорії горіння видне місце належить радянським ученим: Н.Н.Семенову, А.С. Предводітельову, Г.Ф. Кнорре, Л.Н. Хитріну.

Під керівництвом академіка Семенова Н.Н. розробляється теорія ланцюгових реакцій, теорія горіння і детонації газів. Кнорре Г.Ф плідно працював в області вивчення топкових процесів. Предводітельовим А.С. успішно велися роботи в області горіння вуглецю.

Не дивлячись на досвід в області горіння, питання горіння ще вимагають значного вивчення.

2.2 Основні стехіометричні рівняння повного і неповного горіння

Для забезпечення горіння палива необхідно витримати особливі умови, якими є:

- підтримка в зоні горіння високої температури;

- забезпечення безперервної подачі в зону горіння палива і повітря;

- забезпечення хорошого їх перемішування;

- організація безперервного відведення продуктів згорання із зони горіння.

У загальному випадку процес окислення горючих складових палива представляє складне явище, точний опис якого простими рівняннями не представляється можливим. Проте, основні величини, що цікавлять нас, такі як: необхідна кількість повітря, що бере участь в горінні; кількість продуктів згорання, що утворилися; кількість теплоти, що виділилася, можуть бути представлені стехіометричними рівняннями хімічних реакцій.

Стехіометричні рівняння є залежностями, що визначають окислення горючих складових палива киснем повітря.

При неповному згоранні:

.

В результаті горіння палива утворюються об'єми вуглекислого газу сірчистого газу водяної пари ; а оскільки окислення здійснюється повітрям, то утворюється ще об'єм азоту Таким чином об'єм димових газів визначається

- при повному згоранні;

- при неповному згоранні.

Задачею є звести до нуля.

- об'єми трьохатомних газів.

Теоретичні об'єми позначаються індексом «0», тобто

- при повному згоранні;

- при неповному згоранні

2.3 Визначення витрати повітря і виходу продуктів згорання

2.3.1 Визначення теоретичних об'ємів витрати повітря і виходу продуктів згорання при спалюванні кілограма твердого або рідкого палива

Визначення теоретичної витрати повітря відбувається на основі стехіометричних рівнянь горіння, написаних для одного кіломоля даної речовини.

1 кіломоль - це кількість речовини в кг, рівна його молекулярній масі.

Для спалювання 1 кг витрачається:

;

;

.

Таким чином, для спалювання 1 кг потрібно було б , а оскільки паливо містить ,то для спалювання 1кг палива буде потрібна наступна кількість кисню:

;

.

Оскільки в топку подається повітря, до складу якого входить 21%, то

Якщо до складу палива входить кисень, то на окислення палива буде потрібно менше кисню, а, отже, і повітря. Тому для таких палив

Об'ємна витрата повітря визначається щільністю , яка у свою чергу визначається температурою і тиском по рівнянню стану . У зв'язку з цим виходить безліч рішень. Умовилися об'єм повітря визначати за нормальних умов 760 У зв'язку з цим за нормальних умов .Враховуючи , отримаємо наступну залежність за визначенням теоретичної витрати повітря

Тверде і рідке паливо:

Приклад.

1. Визначити теоретичний об'єм повітря необхідний для спалювання 1 кг твердого палива.

Паливо: вугілля кузнецького басейну.

Елементарний склад робочої маси палива занесений до таблиці 2.1

Таблиця 2.1 - Елементарний склад робочої маси палива, (%)

Wp	Ap	Spop	Spk	Cp	Hp	Np	Op
13,0	21,8	1,5	1,5	49,3	3,6	1,0	8,3

Теоретичний об'єм повітря

V⁰_в=0.0889(C^p+0.375S^p_op+k)+0.265H^p-0.0333O^p м³/кг

V⁰_в=0.0889(49,3+0,375*3,0)+0,256*3,6-0,0333*8,3=5,16м³/кг

2. Визначити теоретичний об'єм повітря необхідний для спалювання 1 кг рідкого палива.

Паливо: мазут малосірчистий

Таблиця 2.2. - Елементарний склад робочої маси палива, (%)

Wp	Ap	Spop+k	Cp	Hp	Np+Op
3,0	0,05	0,3	84,65	11,7	0,3

Теоретичний об'єм повітря

V^о_в = 0,0889 (С^р + 0,375S^p_op+k) + 0,265H^p - 0,0333O^p м³/кг

V^о_в = 0,0889 (84,65 + 0,375*0,3) + 0,256*11,7 – 0,0333*0,3 = 10,62 м³/кг.

2.3.2 Визначення теоретичних об'ємів витрати повітря і виходу продуктів згорання при спалюванні газоподібного палива

При спалюванні газоподібного палива теоретично необхідна кількість повітря визначається з рівнянь реакцій горіння. Наприклад, - показує, що для спалювання 1 об'єму метану потрібно 2 об'єми кисню, внаслідок чого виходить 1 об'єм вуглекислого газу і 2 об'єми водяної пари.

Проте при спалюванні газу використовується не чистий кисень, а повітря, до складу якого входить азот. Тоді рівняння горіння метану матиме вигляд:

де

Для етану:

.

Якщо вуглеводні виразити формулою , то:

.

В результаті отримуємо наступне підсумкове рівняння для визначення витрати повітря при горінні газу:

.

Приклад.

Визначити теоретичний об'єм повітря необхідного для спалювання 1 м³ природного газу.

Паливо: природний газ газопроводу Саратов - Москва

Таблиця 2.3 - Елементарний склад робочої маси палива

CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
84,5	3,8	1,9	0,9	0,3	7,8	0,8

Теоретичний об'єм повітря

V^о_в = 0,0476[0,5СО+0,5Н₂+1,2Н₂S+ (m+n/4) C_mH_n-O₂] м³/м³

V^о_в = 0,0476[ (1+4/4)*84,5 +(2+6/4)*3,8+(3+8/4)*1,9 +(4+10/4)*0,9+ +(5+12/4)*0,3] =9,52 м³/м³

2.4 Розрахунок теоретичних об'ємів продуктів згорання

Розрахунок теоретичних об'ємів продуктів згорання визначаться так само на підставі реакцій горіння. Так, ми бачимо, що

, где

Волога з паливом: ;;

;

де - вологовміст повітря, 10

—теоретичний об'єм повітря;

Волога дуття форсунки:

.

Таким чином

;

де - витрата пари на розпилювання мазуту

тоді

При спалюванні газоподібного палива:

Приклади:

1 Теоретичний об'єм продуктів згорання: твердого палива

- об'єм азоту

V^o_N2=0,79V^o_в+0,8N^p/100 м³/кг

V^o_N2=0,79*5,16+0,8*1,0/100=4,08м³/кг

- об'єм трьохатомних газів

V^o_RO2=0.01866(C^p+0.375S^p_op+k) м³/кг

V^o_RO2=0.01866(49,3+0,375*3,0)=0,94м³/кг

- об'єм водяної пари

V^o_H2O=0.111H^p+0.0124W^p+0.0161V^o_в м³/кг

V^o_H2O=0.111*3,6+0,0124*13,0+0,0161*5,16=0,64м³/кг

- об'єм димових газів

V^o_г=V^o_N2+V^o_R02+V^o_H2O м³/кг

V^o_г=4,08+0,94+0,64=5,67м³/кг

2 Теоретичний об'єм продуктів згорання: мазут

- об'єм азоту

V^o_N2=0.79V^o_в+0.8N^p/100 м³/кг

V^o_N2=0.79*10,62 + 0,8*0,3/100 = 8,39 м³/кг

- об'єм трьохатомних газів

V^o_RO2=0.01866(C^p+0.375S^p_op+k) м³/кг

V^o_RO2 = 0.01866(84,65 + 0,375*0,3) = 1,58м³/кг

- об'єм водяної пари

V^o_H2O = 0.111H^p+0.0124W^p+0.0161V^o_в м³/кг

V^o_H2O = 0.111*11,7 + 0,0124*3 + 0,0161*10,62 = 1,51 м³/кг

- об'єм димових газів

V^o_г=V^o_N2+V^o_R02+V^o_H2O м³/кг

V^o_г = 8,39 + 1,58 + 1,51 = 11,48 м³/кг

3 Теоретичний об'єм продуктів згорання: природний газ

- об'єм азоту

V^o_N2 = 0.79V^o_в+N^p/100 м³/м³

V^o_N2=0.79*9,96 + 7,8/100 = 7,6 м³/м³

- об'єм трьохатомних газів

V^o_RO2 = 0.01(CO₂+CO+H₂S+mC_mH_n) м³/м³

V^o_RO2 = 0.01(0,8+1*84,5+2*3,8+3*1,9+4*0,9+5*0,3) = 1.04м³/м³

- об'єм водяної пари

V^o_H2O = 0.01(H₂S+H₂+ n/2C_mH_n+ 0,124d_г.тл)+0.0161V^o_в м³/м³,

де d_г.тл - вологовміст газу, приймаємо d_г.тл=1,9г/м³

V^o_H2O= 0,01*(4/2*84,5+6/2*3,8+8/2*1,9+10/2*0,9+12/2*0,3 + 0,124*1,9) + +0,0161*9,52 = 2,1 м³/м³

- об'єм димових газів

V^o_г=V^o_N2+V^o_R02+V^o_H2O м³/м³

V^o_г = 7,6 + 1,04 + 2,1 = 10,73 м³/м³

2.5 Розрахунок дійсної кількості повітря і продуктів згорання

Отримані нами і є теоретичними об'ємами, оскільки визначені на підставі стехіометричних рівнянь горіння.

Як показала практика спалювання палива, подані в топку такі кількості повітря, є недостатніми, тому в топку подають повітря дещо більше, а реально поданий об'єм називається дійсним і позначається .

Дійсний об'єм повітря відрізняється від теоретичного коефіцієнтом надлишку повітря , який є відношенням дійсно поданого в топку повітря до теоретично необхідного:

визначається видом спалюваного палива та видом топкового пристрою. Так, для спалювання газу і мазуту ; а для твердого палива при факельному спалюванні ; при шаровому спалюванні .

При відомому дійсна кількість поданого в топку повітря

(н.у.)

Якщо спалюється палива, то загальна кількість поданого за нормальних умов повітря визначається:

(н.у.)

2.6 Визначення дійсного об'єму димових газів

Дійсний об'єм димових газів визначається при . У зв'язку з тим, що в топку подається більше повітря, змінюється склад димових газів на величину надлишкового повітря, поданого в топку

При

Зазвичай газовий тракт котла працює під розрідженням, у зв'язку з цим змінюється по газоходах. Присос повітря в топку складає 5% від :. У газоходах котла при розміщенні в них змієвикових поверхонь нагріву величина присосів складає і в трубчастих повітропідігрівачах приймається при розрахунках. Коефіцієнт присоса повітря за поверхнею нагріву визначається сумою коефіцієнта присоса повітря перед поверхнею нагріву і коефіцієнта присосів в ній, як показано на рисунку 2.1

Рисунок 2.1

Середні об'єми повітря і продуктів згорання розраховуються по середньому коефіцієнту .

Зазвичай для камерних топок котлів призначається по нормах теплового розрахунку на виході з топки (перед фестоном), тоді коефіцієнт надлишку повітря на вході в топку визначається по формулі:

.

Середні значення коефіцієнтів надлишку повітря по інших поверхнях нагріву визначаються аналогічно. Зрештою отримуємо:

.

Розрахунки дійсних об'ємів продуктів згорання здійснюються для вибраної по рекомендаціях і присосів холодного повітря в окремих ділянках газового тракту котла.