Физические основы процесса горения топлива.

Горение топлива – химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты. Окислителем служит кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы: 1). гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ + газ"); 2). гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело + газ" или "жидкость + газ").
Процесс горения может протекать с разной скоростью – от медленного до мгновенного. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.

Горение газообразного топлива. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле – кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подают вначале в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения.
Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. В этом случае газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.
Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: от 550К у торфа, до 1070К у антрацита.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получил метод сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить сгорание топлива и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии: 1) нагревание и испарение топлива; 2) образование горючей смеси; 3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.); 4) собственно горение смеси.

Расчет процессов горения топлива.

Расход воздуха на сжигание топлива.

Все расчеты процессов горения топлива ведутся на основе стехиометрических уравнений реакции горения:

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + O₂ = SO₂.

Из уравнений видно, что для сжигания 12 кг углерода необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 44 кг СО₂. Для сжигания 4 кг водорода необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 36 кг водяного пара. Для сжигания 32 кг серы необходимо 32 кг кислорода и при этом образуется 64 кг SО₂. Следовательно, для полного сгорания 1 кг углерода теоретически требуется затратить 32/12 = 2,67 кг кислорода, для 1 кг водорода 32/4 = 8 кг О₂, а для 1 кг серы 32/32 = 1 кг О₂. Часть кислорода содержится в топливе (0,01О^р кг/кг), остальное, в количестве М_O2 = 0,01(2,67С^р + 8Н^р + S^p – О^р) кг/кг нужно подать с воздухом. Если учесть, что массовая доля кислорода в воздухе 0,231, а плотность воздуха при нормальных условиях 1,293 кг/м³, то получим объем воздуха теоретически необходимого для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

V⁰ = M_O2/0,231×1,293 = 0,0889(С^р + 0,375S^p) +0,265Н^р – 0,0333О^р.

По аналогии можно получить формулу для определения расхода воздуха при сжигании газообразного топлива, м³/м³:

.

На практике не удается осуществить полное горение топлива с теоретическим количеством воздуха. Это объясняется неравномерной подачей воздуха, недостаточным перемешиванием воздуха с топливом, несовершенством топочных устройств и т. д.

Для достижения более полного горения топлива воздух в топочную камеру подают с избытком. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому – V⁰ называется коэффициентом избытка воздуха:

a = V/V⁰ > 1,

откуда действительный объем воздуха необходимого для сжигания топлива V = a× V⁰.

Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа сжигания колеблется в пределах 1,05-1,6. Чем лучше смешивание топлива с воздухом, тем меньше a.

Состав и объем продуктов сгорания топлива.

В результате полного сжигания топлива в теоретических условиях образуются продукты сгорания, состоящие из диоксида углерода – CO₂, водяного пара – H₂O, диоксида серы – SO₂, азота – N₂. CO₂ и SO₂ принято объединять и называть «сухие трехатомные газы», обозначая RO₂.

Объемы продуктов сгорания определяют на основании стехиометрических уравнений (как и объем воздуха необходимый для горения). Например, при сжигании 1 кг углерода образуется 44/12 = 3,67 кг СО₂ и т.д. Для упрощения расчетов серу замещают эквивалентным количеством углерода . Далее учитывая, что плотность СО₂ равна 1,977 кг/м³ получим объем трехатомных газов, м³/кг:

.

Объем азота в продуктах сгорания складывается из объема азота, содержащегося в подаваемом воздухе, и азота содержащегося в топливе. Окончательно:

.

Наличие водяных паров в продуктах сгорания обусловлено горением водорода, испарением влаги топлива и влаги поступающей с воздухом (влагосодержание воздуха принимается d = 10 г/кг). Тогда теоретический объем водяных паров равен:

.

Аналогично получают формулы для расчета продуктов сгорания газообразного топлива.

С учетом избытка воздуха, подаваемого для горения, действительный объем продуктов сгорания будет больше и рассчитывается по формуле:

.

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

При расчетах принято относить энтальпию воздуха и продуктов сгорания к 1 кг твердого или жидкого топлива, или к 1 м³ газообразного топлива.

Энтальпия теоретического количества воздуха, кДж/кг или кДж/м³:

,

где С_в - объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³К);

J - температура продуктов сгорания, ^оС.

Энтальпия продуктов сгорания определяется как сумма энтальпий всех составляющих газов:

,

где ­– энтальпия теоретического объема продуктов сгорания

;

С - объемная теплоемкость соответствующих газов, кДж/(м³К).

Котельные установки (КУ)

Основные способы сжигания топлива и типы топочных устройств.

В котельных установках и печах используют различные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное. По способу сжигания топлива топки делятся на три основных типа: слоевые, факельные и вихревые. Факельные и вихревые топки объединяют в общий класс камерных топок.

В слоевых топках (рисунок а), сжигается твердое топливо. Топливо 2 находится на колосниковой решетке 1, а воздух, необходимый для горения, подается под решетку и проходит сквозь слой топлива. Процесс горения, в основном, происходит в слое топлива, а в топочном объеме происходит лишь догорание газообразных продуктов. Шлак проваливается через отверстия в колосниковой решетке, а затем удаляется. Этот способ сжигания имеет ряд недостатков: большой коэффициент избытка воздуха, значительные потери от механической неполноты сгорания топлива, неэффективное использование топочного объема.

В факельных топках (рисунок б), сжигается твердое, жидкое и газообразное топливо. При сжигании твердого топлива требуется его предварительный размол до пылевидного состояния. При этом способе сжигания топливо и воздух подаются через горелки 2 в топочный объем 1, и горение происходит в объеме топки. Преимущество этого способа сжигания в полноте использования топочного объема, меньших коэффициентах избытка воздуха, меньшей неполноты сгорания топлива и полной механизации топочных процессов.

В вихревых топках (рисунок в), сжигается твердое, жидкое и газообразное топливо. Их конструкция предусматривает установку циклонного предтопка 1, где за счет интенсификации процесса горения развиваются высокие температуры, плавящие золу и шлак (в случае сжигания твердого топлива). Чтобы несгоревшее топливо преждевременно не уносилось из циклона, на выходе из него имеется горловина 2. Шлак находится в жидком состоянии, что облегчает его улавливание и отвод из топки.

На практике самые распространенные топки - факельные.

Общие сведения о котельной установке. Котельная установка состоит из котельного агрегата (КА), предназначенного для получения пара или горячей воды и вспомогательного оборудования, для подготовки и подачи топлива, воздуха, воды, а также удаления продуктов сгорания.

КА, в зависимости от мощности и вида сжигаемого топлива, оборудуются слоевой, факельной или вихревой топкой. Для нормальной работы КА необходимо организовать движение (циркуляцию) воды и пароводяной смеси. По способу организации циркуляции КА делятся на котлы с естественной циркуляцией, многократной принудительной циркуляцией и прямоточные.

Рассмотрим схему котельной установки с КА с естественной циркуляцией и факельной топкой, предназначенной для сжигания газообразного или жидкого топлива (см. рисунок).

В топке 1 сжигается топливо, подаваемое через горелку. Образующиеся газообразные продукты сгорания передают часть теплоты (в основном излучением) кипящей воде, движущейся в кипятильных трубах 2, расположенных на стенках топки. Эти поверхности нагрева называются экранами. Далее продукты сгорания проходят через верхнюю часть заднего экрана 3, называемую фестоном (разреженные трубы заднего экрана), и последовательно омывая пароперегреватель 4, экономайзер 5, воздухоподогреватель 6, охлаждаются до температуры 180-120 ^оС и с помощью дымососа 9 через дымовую трубу 10 выбрасываются в атмосферу.

Прошедшая предварительную подготовку вода (очищенная от солей жесткости и растворенных газов) подается в экономайзер 5, где подогревается до температуры близкой к температуре кипения при данном давлении, после чего поступает в барабан котла 7. Отсюда она по опускным трубам 8 поступает в экранные трубы 2. Образующаяся в экранных трубах парожидкостная смесь попадает в барабан 7. Здесь происходит ее сепарация: жидкость отделяется от пара и снова поступает в опускные трубы 8, а насыщенный пар – в пароперегреватель 4 где перегревается до требуемой температуры и направляется к потребителю.

Атмосферный воздух, необходимый для горения топлива, подается вентилятором в воздухоподогреватель 6, где подогревается до заданной температуры, после чего подается через горелки в топку.

Котельный агрегат и его элементы.КА производственных и энергетических котельных подразделяют в зависимости от давления на: КА низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14 МПа) и сверхвысокого давления (25-31Мпа).

Котельные агрегаты с паропроизводительностью 0,01-5,5 кг/с относятся к котлам малой мощности, с производительностью до 30 кг/с к котлам средней мощности и производительностью > 30 кг/с (до 500-1000 кг/с) – к котлам большой мощности.

По конструкции КА можно разделить на два типа – газотрубные и водотрубные. Более совершенными являются водотрубные паровые котлы. Они имеют развитые поверхности нагрева, состоящие из труб, заполненных водой или пароводяной смесью, которые снаружи обогреваются продуктами сгорания топлива.

При работе КА важно обеспечить надежное охлаждение поверхностей нагрева, в которых происходит парообразование. Для этого необходимо соответствующим образом организовать движение воды и пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева. По характеру организации движения рабочего тела в испарительных поверхностях котельные агрегаты делятся на три типа: с естественной циркуляцией (рис а); с принудительной циркуляцией (рис б); прямоточные (рис в).

Рассмотрим работу прямоточного КА (рис. в). Питательная вода подается в конвективный экономайзер 6, где она подогревается за счет теплоты газов, и поступает в экранные трубы 1, выполненные в виде параллельно включенных змеевиков, расположенных на стенах топочной камеры. В нижней части змеевиков вода нагревается до температуры насыщения. Парообразование до степени сухости 70-75% происходит в змеевиках среднего уровня расположения. Затем пароводяная смесь поступает в переходную конвективную зону 4, где происходит окончательное испарение воды и частичный перегрев пара. Из переходной зоны пар направляется в радиационный перегреватель 2, затем доводится до заданной температуры в конвективном перегревателе 3 и поступает к потребителю. В опускной шахте КА расположены первая (по ходу газов) и вторая ступени 5 и 7 воздухоподогревателя.

К основным элементам КА относятся пароперегреватели, экономайзеры и воздухоподогреватели.
Пароперегревательпредставляет собой змеевиковую поверхность теплообмена, предназначенную для перегрева пара (повышения температуры выше температуры кипения), полученного в испарительной части КА. Пар движется внутри трубок, омываемых снаружи дымовыми газами. Пароперегреватель – неотъемлемый элемент энергетических КА.

Водяные экономайзерыпредназначены для подогрева питательной воды, до поступления ее в испарительную часть КА, за счет теплоты дымовых газов. Применение экономайзера существенно увеличивает КПД котельного агрегата.

В зависимости от применяемого материала экономайзеры делятся на чугунные и стальные, по типу поверхности – на ребристые и гладкотрубные, по степени подогрева воды – на не кипящие и кипящие.

Воздухоподогреватели предназначены для подогрева воздуха, до поступления его в топку КА, за счет теплоты дымовых газов.При этом уменьшаются потери теплоты с уходящими газами, а горячий воздух, направляемый в топку котла, улучшает условия сгорания топлива и уменьшает потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания, повышает температуру горения, интенсифицирует теплообмен, что в итоге повышает КПД установки. В среднем понижение температуры уходящих газов на каждые 20-25 ^оС повышает КПД примерно на 1%.

Тепловой баланс котельного агрегата.

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает связь между количеством подведенной и расходуемой теплоты. На основании теплового баланса определяют расход топлива и вычисляют КПД котельного агрегата.

Суммарное количество теплоты, внесенной в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой Q_Р. В общем случае

,

где Q^р_н - низшая теплота сгорания топлива;

h_тл - физическая теплота топлива, вносимая в топку;

Q_хв - теплота холодного воздуха поступающего в воздухоподогреватель котла и воздуха проникшего в топку извне в виде присоса (присосы воздуха имеют место вследствие наличия неплотностей в стенках котла и разности давлений в газоходах котла и окружающей среды);

Q_пар - теплота, вносимая в топку с паром, используемым для распыления мазута и обдувки поверхностей нагрева.

Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q_р = Q^р_н.

В общем случае тепловой баланс записывается в виде:

Q_Р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆,

где Q₁ - полезно использованная теплота, расходуемая на подогрев воды, парообразование и перегрев пара;

Q₂ – потери теплоты с уходящими из котельного агрегата газами (имеют место т.к. температура газов на выходе из котла 120-200^оС);

Q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, т.е. обусловлены наличием в продуктах сгорания продуктов неполного горения;

Q₄ – потери теплоты от механического недожога (не полностью сгоревшее топливо);

Q₅ – потери теплоты через ограждения КА (в окружающую среду);

Q₆ – потери с физическим теплом шлака (для котлов, работающих на твердом топливе).

Если представить тепловой баланс в процентах получим:

q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ = 100 %.

Доля теплоты, использованной в КА представляет собой КПД котла брутто h_КА (без учета затрат на собственные нужды):

= q₁ = 100 - (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆).

Расход топлива в котельном агрегате можно определить из выражения:

.