Стадии процесса горения натурального топлива

Вид топлива
твердое	жидкое	газообразное
Подогрев Испарение влаги Выделение летучих Образование кокса Горение летучих Горение кокса Образование шлака	Подогрев Испарение влаги Выделение летучих   Горение летучих Горение кокса	Подогрев   Горение летучих

Такая разбивка на стадии условна потому, что эти стадии процесса протекают не только последовательно, но и параллельно, накладываясь друг на друга, как, например, при испарении влаги и выделении летучих, выделении и горении летучих, образовании и горении кокса. Продолжительность протекания отдельных стадий горения зависит от свойств топлива, конструктивных особенностей топочного устройства и ряда других факторов, из которых главными являются процессы тепло- и массообмена.

Все это свидетельствует о большой сложности топочных процессов и необходимости рассмотрения любой из конструкций топки с позиций обеспечения наиболее полного сгорания топлива, наименьшего загрязнения поверхностей нагрева в топке, удобства, простоты и надежности работы устройства, быстрого регулирования производительности в достаточно широких пределах без снижения экономичности, обеспечения передачи наибольшего количества теплоты радиацией и возможности наиболее полной механизации и автоматизации всех процессов, связанных с работой топочного устройства.

Продукты сгорания топлива

Для эффективного горения топлива необходимы определенные условия. В зависимости от условий возможно полное или частичное окисление горючих веществ. При полном окислении образующиеся продукты не могут больше соединяться с окислителем и выделять теплоту. Продуктами полного окисления горючих элементов являются полные оксиды углерода (СО₂), водорода (Н₂О) и серы (SO₂ и в меньшей степени SО₃). Кроме того, компонентами продуктов сгорания топлива являются азот N₂, содержащийся в топливе и атмосферном воздухе, и избыточный кислород О₂, который содержится в продуктах сгорания топлива, потому что процесс горения протекает не идеально и связан с необходимостью подачи большего, чем теоретически необходимо, количества воздуха.

По уравнениям реакций окисления горючих элементов топлива, зная их молекулярную массу, плотность и объемы, можно найти массу и объем продуктов полного сгорания.

При полном сгорании углерода образуется:

С + О₂ ® СО₂;

12,01 кг С + 32,00 кг О₂ ® 44,01 кг СО₂

или 1 кг С + (32/12,01) кг О₂ ® (44,01/12,01) кг СО₂,

что соответствует

1 кг С + 2,67 кг О₂ ® 3,67 СО₂.

Для получения продуктов сгорания в объемных единицах полученную массу нужно разделить на плотность каждого газа:

1 С + (2,67/1,428) О₂ ® (3,67/1,964) СО₂ или 1 кг С + 1,866 м³ О₂ ® 1,866 м³ СО₂,

т. е. при сжигании 1 кг углерода требуется 1,866 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ диоксида углерода.

При неполном сгорании топлива возможны два случая: не все горючие элементы окисляются; при окислении горючих элементов образуются продукты, которые могли бы участвовать в процессе горения. При неполном окислении горючих элементов могут образовываться соединения, например, по реакции

С + ½ О₂ ® СО.

12 кг С + 16 кг О₂ ® 28 кг СО; 1 кг С + 1,33 кг О₂ ® 2,33 кг СО;

1 С + (1,33/1,428) О₂ ® (2,33/1,250) СО; 1 кг С + 0,933 м³ О₂ ® 1,866 м³ СО,

т. е. при неполном сгорании 1 кг углерода требуется 0,933 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ оксида углерода.

Неполное окисление горючих элементов связано с недостаточной подачей окислителя, неравномерным поступлением топлива и воздуха во времени, по сечению горелок или по отдельным горелкам, недостаточно хорошим перемешиванием топлива и воздуха. Наибольшее количество теплоты выделяется при полном окислении горючих элементов.

При горении серы образуется:

S + O₂ ® SO₂;

32,06 кг S + 32,00 кг О₂ ® 64,06 кг SO₂; 1 кг S + 1 кг О₂ ® 2 кг SO₂;

1 кг S + (1/1,428) О₂ ® (2/2,858) SO₂; 1 кг S + 0,7 м³ О₂ ® 0,7 м³ SO₂,

т. е. при полном сгорании 1 кг серы необходимо 0,7 м³ кислорода и образуется 0,7 м³ сернистого газа.

При окислении – горении водорода образуется:

2Н₂ + О₂ ® 2Н₂О;

4,034 кг Н₂+32,00 кг О₂ ® 36,034 кг Н₂О; 1 кг Н₂ + 8 кг О₂ ® 9 кг Н₂О;

1 кг Н₂ + (8/1,428) кг О₂ ® (9/0,804) кг Н₂О; 1 кг Н₂ + 5,6 м³ О₂ ® 11,2 м³ Н₂О;

т. е. при полном сгорании 1 кг водорода требуется 5,6 м³ кислорода и образуется 11,2 м³ водяного пара.

Расход воздуха на горение определяет полноту сгорания топлива в топке котла. Минимальное количество воздуха, достаточное для полного сгорания единицы массы (объема для газа) топлива, называют теоретически необходимым количеством воздуха V^о. Учитывая, что в 1 кг топлива содержится С/100 кг углерода, Н/100 кг водорода, S/100 кг серы летучей и О/100 кг кислорода, в пересчете на рабочее топливо суммарное количество необходимого для горения кислорода, кг/кг, составляет:

. (2.8)

При нормальных условиях 1 м³ кислорода весит 1,428 кг, а в воздухе содержится около 21 % кислорода и 79 % азота. Разделив каждый из коэффициентов в выражении (2.8) на величину 1,428·0,21·100»30, можно определить количество теоретически необходимого воздуха для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

, (2.9)

где С, S, Н и О – массовые доли горючих элементов и кислорода в рабочем топливе, %.

В случае сжигания газообразного топлива количество теоретически необходимого воздуха находят, исходя из стехиометрических уравнений реакций горения компонентов газообразного топлива. При этом принимают, что объем одного моля компонентов, как и у идеальных газов, одинаков. Тогда при горении:

оксида углерода

СО + 0,5О₂ = СО₂; 1 м³ СО + 0,5 м³ О₂ = 1 м³ СО₂;

водорода

Н₂+0,5О₂ = Н₂О; 1 м³ Н₂+0,5 м³ О₂ = 1 м³ Н₂О;

сероводорода

H₂S +1,5O₂ = H₂O + SO₂; 1 м³ H₂S + 1,5 м³ О₂ = 1 м³ Н₂О + 1 м³ SO₂;

углеводородов

С_mH_n+(m+n/4)O₂=mCO₂ + ½ n Н₂О; 1 м³ С_mH_n+(m+n/4) м³ O₂=m м³ CO₂ + ½ n м³ Н₂О.

Таким образом, исходя из реакций полного горения составляющих газообразного топлива, следует, что каждый 1 м³ СО требует 0,5 м³ О₂ и после реакции образуется 1 м³ СО₂.

Количество теоретически необходимого воздуха для сгорания 1 м³ газообразного топлива, м³/м³:

. (2.10)

Для полного сгорания топлива в топочные устройства подводят большее, чем теоретически необходимо, количество воздуха. Отношение действительно поступившего количества воздуха V_д к теоретически необходимому количеству V^о называют коэффициентом избытка воздуха a:

. (2.11)

Величина коэффициента избытка воздуха зависит от типа топочных устройств и вида топлива: для газообразного топлива a колеблется от 1,05 до 1,15; для мазута – 1,03<a<1,2; для твердого топлива в пылевидном состоянии – 1,2<a<1,3; для твердого топлива, сжигаемого в слоевых топках, – 1,5<a<1,7.

При полном сгорании топлива дымовые газы содержат продукты полного окисления горючих элементов топлива – углерода, водорода и серы – СО₂, Н₂О и SО₂; азот топлива и внесенный с воздухом N₂; неиспользованный при горении кислород воздуха О₂; водяной пар Н₂О, полученный за счет окисления водорода топлива, испарения влаги, содержащейся в топливе, и внесенный с влажным воздухом. При паровом распыливании жидкого топлива также вносится некоторое количество Н₂О в продукты сгорания.

Различают теоретический объем продуктов сгорания при a = 1 и действительный – при a > 1.

Полный объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлива при коэффициенте избытка воздуха, большем единицы, м³/кг, составляет:

. (2.12)

Продукты сгорания, м³/кг, принято подразделять на сухие газы и водяные пары:

. (2.13)

При полном сгорании 1 кг углерода образуется 1,866 м³ СО₂, а 1 кг серы – 0,7 м³ SO₂, тогда при сгорании топлива объем трехатомных газов, м³/кг, составляет:

. (2.14)

При сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (a = 1) содержание кислорода в сухих дымовых газах будет равно нулю, их объем – минимальным или теоретическим и будет состоять из объема трехатомных газов и азота (из объемов азота, содержащегося в топливе, и азота, внесенного с воздухом).

Объем азота, м³/кг, при a = 1 с учетом входящего в твердое или жидкое топливо N^p/100 равен:

. (2.15)

Последним слагаемым можно пренебречь.

Теоретический объем сухих газов, полученных от сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг, составляет:

. (2.16)

Полный объем сухих газов будет больше теоретического на количество избыточного воздуха (a –1)V^о, м³/кг. Следовательно, полный объем сухих дымовых газов, м³/кг, равен:

. (2.17)

При сжигании топлив в продуктах сгорания, кроме сухих газов, содержатся водяные пары. Теоретический объем водяных паров в дымовых газах от сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива , м³/кг, равен сумме объемов водяных паров, полученных в результате окисления водорода топлива , образовавшихся при испарении влаги топлива , а также влаги, содержащейся в воздухе , и влаги, вносимой в топку в виде водяных паров (например, для распыливания жидкого топлива через форсунки):

(2.18)

или

, (2.19)

где 9 – количество воды, полученной при окислении 1 кг водорода, кг; = 0,804 кг/м³ – плотность 1 кг водяных паров при нормальных условиях; = 1,293 кг/м³ – плотность воздуха; d – количество влаги, содержащейся в воздухе, принимают 10 г на 1 кг воздуха; W^ф – количество влаги, вносимой в топку в виде водяных паров, при расходе, кг/кг, топлива.

Действительный объем водяных паров в дымовых газах при сжигании твердого или жидкого топлива, м³/кг, будет больше за счет влаги, внесенной с избыточным воздухом:

. (2.20)

Полный объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлива, м³/кг, может быть определен из выражения

. (2.21)

Состав продуктов сгорания газообразного топлива может быть найден аналогично. Пользуясь уравнениями горения для составляющих газообразного топлива, объем трехатомных газов, м³/м³, можно определить по выражению

. (2.22)

Объем азота в продуктах сгорания газа равен

, (2.23)

а объем сухих газов составляет

. (2.24)

Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания газа

, (2.25)

где d_г.т – влажность газообразного топлива, г/м³.

Суммарный теоретический объем продуктов сгорания топлива, м³/м³, равен:

. (2.26)

Полный (действительный) объем сухих газов, м³/м³, можно определить из выражения

, (2.27)

а действительный объем, м³/м³, дымовых газов равен:

. (2.28)

В отопительных и промышленных котельных установках движение газов осуществляется за счет разрежения, создаваемого дымовой трубой или дымососом: топочное устройство и газоходы находятся под разрежением (давлением, меньшим давления атмосферного воздуха). В газоходы и топочное устройство при наличии в них отверстий и неплотностей из атмосферы поступает воздух, который называют присосом. За счет присосов избытки воздуха от топочного устройства к дымовой трубе по тракту возрастают. Величины присосов в газоходы и элементы котельной установки приведены в табл. 2.2.

В тех случаях, когда установка работает под наддувом, т. е. под давлением, несколько превышающим атмосферное, избытки воздуха по газоходам остаются постоянными и равными избытку в топке.

При небольших давлениях, порядка 3 – 4 кПа (>400 кгс/м²), или разрежениях можно считать , где р_с.г, – парциальное давление соответственно сухих газов и водяных паров, кПа.

Доли трехатомных газов и водяных паров определяют по формулам:

; . (2.29)

Масса дымовых газов при сжигании твердых и жидких топлив, кг/кг, или газообразного топлива, кг/м³, соответственно равна

или , (2.30)

где – плотность сухого газа, кг/м³, d_г.т – содержание влаги в топливе, кг/м³.

Суммарная объемная доля газов составляет

, (2.31)

Концентрацию золы в дымовых газах, г/м³ или кг/м³, можно определить по формуле

, (2.32)

где а_ун – доля золы топлива, уносимая дымовыми газами.

Таблица 2.2