Энтальпия продуктов сгорания

При проведении конструкторских и пове­рочных расчетов котельных агрегатов, а также при обработке результатов испытаний необхо­димо знать энтальпии продуктов сгорания. Так как теплоемкости газов различны, то энтальпии компонентов дымовых газов следует подсчитывать отдельно.

Энтальпия теоретического объема газов при температуре подсчитывается по формуле:

Энтальпия продуктов сгорания при будет больше :

Из-за малости величин при расчетах ими пренебрегают и формула для определения энтальпии продуктов сгорания при выглядит следующим образом:

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Химические реакции взаимодействия веществ подчиняются закону действующих масс, который формулируется следующим образом: при постоянной температуре скорость реакции в гомогенной системе (т. е. системе, состоящей из веществ в одинаковом агрегатном состоянии) пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. В общем случае для реакции типа

скорость прямой реакции

скорость обратной реакции

где – концентрации реагирующих веществ;

m, n, p, q – число молей реагирующих веществ;

– константы скорости прямой и обратной реакции.

В топках котельных агрегатов реакции окисления горючих веществ идут практически только в прямом направлении. Скорости обратных реакций разложения – диссоциации продуктов сгорания при топочных температурах (1600–1800⁰С и ниже) весьма малы. Так, например, степень диссоциации водяных паров в этих условиях составляет не более 1–3%.

Зависимость скорости химической реакции от температуры тождественна зависимости от температуры константы скорости реакции К.

Температурная зависимость константы ско­рости реакции носит название закона Аррениуса:

где К₀ – предэкспоненциальный множитель;

Е – энергия активации, равная суммарной энергии атомов или молекул, вступающих в химическую реакцию, ккал/моль;

R – универсальная газовая постоянная, равная 1,986 ккал/моль·град;

Т – температура реагирующих веществ, °К.

Предэкспоненциальный множитель К₀ в статической физике трактуется как характеристика полного числа столкновений молекул.

Величина его увеличивается с повышением температуры не сильно:

Множитель зависит от температуры Ти величины Е, но­сящей название энергии активации.Величина этого множителя изменяется от 0(при Е = ∞ или T =0)до 1(при E = 0 или Т = ∞).При данных значениях Ти Емножитель с точки зрения статической физики рассматривается как доля общего числа столкновений молекул, обладающих энергией, равной или большей, чем энергия активации Е.

Следовательно, не все столкновения молекул реагирующих веществ приводят к химическому взаимодействию.

Для протекания химической реакции необходимо, чтобы молекулы обладали некоторым запасом энергии, достаточным для преодоления атомарных связей в реагирующих молекулах. Так, например, для системы с начальной энергией молекул Е₀, соответствующей точке А, (рис. 4.1) для осуществления химической реакции необходимо увеличить энергию до Е₁– энергии активации реагирующих молекул (точка В). Конечные продукты реакции (точка С) будет обладать энергией Е₂. Тепловой эффект этой прямой реакции будет положительным, т.е. произойдет освобождение энергии в количестве (реакция экзотермическая).

Рис. 4.1. Прямая и обратная химические реакции

Для протекания обратной реакции началь­ная энергия системы в точке С–Е₂ должна быть увеличена до энергии активации Е₁. Так как продукты этой реакции (точка А) будут иметь энергию Е₀, то тепловой эффект реак­ции будет отрицательным, т. е. для осущест­вления обратной реакции необходимо затра­тить энергию в размере Q = E_q – Е₂ (реакция эндотермическая). Таким образом, энергию активации можно рассматривать как не­которую величину энергии, которой должны обладать молекулы реагирующих веществ, чтобы вступить во взаимодействие.

Экспериментальные исследования показа­ли, что для некоторых реакций, и в частности реакций горения, наблюдается несоответствие между действительными скоростями реакций и расчитанными по стехиометрическим равен­ствам согласно законам кинетики химических реакций. Это свидетельствует о том, что механизм этих реакций не отвечает стехиометрическим уравнениям; последние дают лишь итоговый материальный баланс реагирующих веществ и конечных продуктов реакций.

Реакции горения газов относятся к цепным реакциям. Они характеризуются наличием промежуточных стадий с участием свободных атомов или неустойчивых соедине­ний, для которых требуется меньшая энергия активации, т. е. так называемых активных молекул.

Цепные реакции, протекающие с неизмен­ным числом активных молекул, продолжающих начатую цепь, называются неразветвленными. между действительными скоростями реакций и расчетными по стехиометрическим равен­ствам согласно законам кинетики химических реакций. Это свидетельствует о том, что меха­низм этих реакций не отвечает стехиометрическим уравнениям; последние дают лишь итоговый материальный баланс реагирующих веществ и конечных продуктов реакций.

Реакции горения газов относятся к цепным реакциям. Они характеризуются наличием промежуточных стадий с участием свободных атомов или неустойчивых соедине­ний, для которых требуется меньшая энергия активации, т. е. так называемых активных молекул.

Цепные реакции, протекающие с неизмен­ным числом активных молекул, продолжающих начатую цепь, называются неразветвленными. Если же в процессе реакций число активных молекул увеличивается и вновь возникающие активные молекулы образуют новые цепи, то такие цепные реакции носят название разветвленных.

Процессы горения водорода, окиси углерода и углеводородов являются разветвленными цепными реакциями.

Время сгорания определяется не только скоростью химической реакции , но и временем, затрачиваемым на создание контакта горючего вещества с окислителем :

В гомогенной системе –время на смесе­образование горючего с окислителем, а в ге­терогенной (т. е. системе, состоящей из ве­ществ разных агрегатных состояний) – время диффузии окислителя к поверхности горения.

Если существенно меньше ,то полное время сгорания определяется только скоростью химических реакций (т. е. кинетикой процесса) и процесс протекает в кинетической области горения. Если , то полное время сгорания то полное время сгорания определяется скоростью диффузии окислителя к поверхности горючего вещества или време­нем смесеобразования гомогенной смеси горю­чего и окислителя и процесс протекает в д иффузионной области горения.

Между кинетической и диффузионной су­ществует промежуточная диффузионно-кинетическая область горения, в которой протекание химических реакций по времени соизмеримо со смесеобразованием или диффузией окислителя к поверхности го­рючего, т. е. .

В процессе горения твердого топлива помимо гетерогенных реакций, существенную роль играют и гомогенные реакции. Гетероген­ные реакции, протекающие на поверхности углерода, приводят к образованию окиси угле­рода СО и углекислоты СО₂:

С+0₂→2СО;

С+0₂→С0₂.

Соотношение образующихся объемов СО и СО₂ – продуктов этих первичных реакций – зависит от температурных условий процесса. При температурах до 1200⁰С, по-видимому они образуются примерно в одинаковых коли­чествах, с повышением температуры доля СО возрастает.

В камерных топках процесс химического взаимодействия горючих соединений с кисло­родом, в результате которого происходит вы­деление тепла, всегда сопровождается парал­лельно с ним идущим процессом поглощения тепла ограждающими поверхностями.

Количество тепла, выделяющееся при хи­мической реакции, пропорционально скорости реакции; следовательно, зависимость тепло­выделения при горении от температуры тоже экспоненциальная.

Теплопоглощение ограждающими поверх­ностями может быть выражено уравнением

где – коэффициент теплоотдачи;

F – площадь ограждающих поверхностей;

Т – средняя температура реагирующей смеси;

– средняя температура тепловоспринимающих поверхностей.

Графическое изображение зависимостей тепловыделения и теплопоглощения от температуры дано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Кривые тепловыделения и теплопоглощения.

При низкой начальной температуре сме­си, когда скорости химических реакций ма­лы, тепловыделение Q_в незначительно превы­шает теплопоглощение Q_n(Q_B > Q_n).Точка А на рисунке отвечает равенству; Q_B = Q_n; это устойчивое состояние системы характеризует­сявесьма малыми скоростями химических реакций, при которых протекают процессы ме­дленного окисления горючих соединений. По­вышение температуры смеси выше Т₁ невоз­можно, так как при этом тепловыделение бу­дет меньше теплопоглощения (Q_B < Q_n).

Если повысить начальную температуру смеси, кривая теплопоглощения становится касательной к кривой тепловыделения; в точке касания В Q_B = Q_n. Дальнейшее ускорение реакции приводит к быстрому повы­шению температуры и самовоспламенению,

так как при этом Q_B > Q_n.

Температура, соответствующая точке Вна рисунке, т. е. отвечающая равенству тепловы­деления и теплопоглощения, называется тем­пературой воспламенения.

Таким образом, температура воспламене­ния не является физической константой. Она зависит от природы и состава горючей смеси и интенсивности теплообмена в зоне воспла­менения.

В технических устройствах зажигание то­плива производят путем подвода тепла от по­стороннего источника. Образующийся фронт пламени представляет собой очень тонкий слой смеси, в котором происходит горение.

Скорость перемещения отдельного элемен­та фронта горения в направлении, перпенди­кулярном к поверхности фронта пламени, но­сящая название нормальной скорости распространения пламени, опреде­ляется главным образом скоростью химиче­ских реакций горения. Следовательно, она за­висит от природы соединения, состава горючей смеси и температуры горения.

Для каждого соединения характерны свои нижние и верхние пределы концентраций в смеси с воздухом, вне которых процесс под­держания горения невозможен: при концен­трациях горючего соединения меньше нижнего предела смесь забалластирована избыточным воздухом, больше верхнего предела — в смеси содержится излишнее количество горючего со­единения. В обоих случаях расходы тепла на прогрев этих смесей превышают тепловыде­ление.

Фронт пламени является границей между слабо нагретой горючей смесью и продуктами сгорания, имеющими высокую температуру. От фронта пламени тепло передается близлежащим слоям, еще не достигшим температуры вос­пламенения путем теплопровод­ности и за счет диффузии высо­конагретых продуктов сгорания. Поэтому скорость распростране­ния пламени может быть значи­тельно повышена турбулизацией потока.

5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И К.П.Д. КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

5.1. Располагаемое тепло.

Эффективность использования топлива в котельном агрегате определяется в основном двумя факторами: полнотой про­цесса сгорания топлива и глубиной охлажде­ния продуктов сгорания.

Большая часть тепла, вносимого в котель­ный агрегат, воспринимается поверхностями нагрева и передается рабочему телу. За счет этого тепла производятся подогрев воды до температуры кипения, ее испарение и пере­грев пара. Это — полезно используе­мое тепло.

Остальное тепло составляющее в совре­менных котлоагрегатах примерно 8–12%, не используется для получения пара. Это происходит вследствие раз­личного рода потерь тепла, сопутствующих ра­боте котельного агрегата.

Распределение вносимого в котельный аг­регат тепла на полезно используемое и отдель­ные потери производится путем составления теплового баланса (рис. 5.1.1.).

Рис. 5.1.1. Тепловой баланс котла

В общем виде уравнение теплового баланса котельного агрегата при установившемся режиме работы записывается следующим об­разом:

кДж/кг, кДж/м³,

где располагаемое тепло на 1кг рабоче­го топлива твердого или жидкого или на 1м³ сухого газообразного топлива,

полезно используемое тепло,

потеря тепла с уходящими газами,

потеря тепла от химической непол­ноты сгорания топлива,

потеря тепла от механической непол­ноты сгорания топлива,

потеря тепла от наружного охлаж­дения котельного агрегата,

потеря с физическим теплом шлаков.

Уравнение теплового баланса может быть выражено в процентах по отношению к вели­чине располагаемого тепла:

Отношение полезно использованного тепла к располагаемому есть коэффициент полезного действия котельного агре­гата (рассчитанный по прямому балансу):

Коэффициент полезного действия котельно­го агрегата может быть рассчитан по обратному балансу, т.е.

Коэффициент полезного действия котельного агрегата с учетом расхода электроэнергии и тепла на собственные нужды называют к.п.д. нетто:

где суммарный расход энергии, °/₀, на электрические двигатели, которые обслуживают работу котельного агрегата, расход тепла в виде пара на обдувку, потери с утечками и продувочной водой, отнесенные к располагаемому теплу.

Располагаемое тепло котельного аг­регата может быть представлено следующим уравнением:

где — низшая теплота сгорания топлива,

— физическое тепло топлива,

— тепло воздуха при подогреве его вне котельного агрегата,

— тепло, вносимое паром, употребляемым для распыливания мазута,

— тепло, расходуемое при сжигании сланцев на разложение карбонатов.

Физическое тепло топлива равно:

Q_тл = с_тлt_тл, кДж/кг, кДж/м³,

где с_тл— теплоемкость рабочей массы топли­ва,

t_тл — температура топлива, °С.

Для твердых топлив в большинстве случаев невелико. При замкнутой схеме сушки топлива температуру t_тлпринимают близкой к температуре окружающей среды (в среднем 20°С). Только при применении разомкнутых схем пылеприготовления температура пыли берется из расчета сушки (она составляет примерно 60–70°С).

При работе котельных агрегатов на серни­стом мазуте или твердых топливах с большим содержанием серы иногда воздух перед возду­хоподогревателем предварительно нагревают в специальных устройствах – калориферах. Количество тепла, вносимое воздухом в ко­тельный агрегат, рассчитывают тогда по формуле:

здесь – отношение количества воздуха на входе в котельный агрегат к тео­ретически необходимому;

и — энтальпия теоретически необходи­мого количества воздуха на входе в котельный агрегат и холодного воздуха.

Количество тепла, которое вводится в котельный агрегат с паром, используемым для распыливания мазута, подсчитывают по фор­муле:

где – расход пара, идущего на распыливание мазута, кг\кг,

– энтальпия этого пара, кДж/кг;

2500 кДж/кг – условно принимаемая величина энтальпии пара, содержащего­ся в уходящих газах.

При сжигании сланцев небольшая часть выделяющегося в топке тепла расходуется на разложение карбонатов. Эта затрата тепла пропорциональна содержанию карбонатов в сланцах:

где — содержание углекислоты карбонатов в рабочей массе сланцев, °/₀;

— степень разложения карбонатов;

4060 кДж/кг – средний расход тепла на разложение карбонатов, отнесенный к одному килограмму углекислоты.

Для котельных агрегатов, работающих на твердых топливах (кроме сланцев) при отсутствии подогрева воздуха вне котла, располагаемое тепло близ­ко по своей величине к теплоте сгорания то­плива, т. е.

Полезно использованное тепло в котельном агрегате в самом общем случае может быть подсчитано по следующей формуле:

где D – паропроизводительность котла, кг/c;

– расход продувочной воды, кг/c;

B – секундный расход топлива;

– энтальпии, соответственно, пара, котловой воды, питательной воды,

Тепло, полезно отданное в котле, определяется в общем случае из выражения:

кВт,

где – количество выработанного перегретого пара, кг/с;

– энтальпия перегретого пара, кДж/кг, определяемая по и согласно заданию;

– энтальпия питательной воды, кДж/кг, определяемая по р_пв и t_пв;

– количество выработанного насыщенного пара, кг/с, отданного помимо пароперегревателя с энтальпией h_нп;

– энтальпия насыщенного пара, кДж/кг, определяемая по давлению в барабане котла;

– расход воды на продувку котла, кг/с, с энтальпией при ее кипении h_кип, кДж/кг, определяемой по давлению в барабане котла = ,

где П – процент продувки, %; D – производительность котла, кг/с; значение П определяется заданием на проектирование.

Примечания:

а) если по заданию пар перегретый, отсутствует вторая составляющая в формуле;

б) если по заданию пар насыщенный, отсутствует первая составляющая .в формуле.

Расход топлива, подаваемого в топку, определяется по формуле

,

в которой h_к.а. выражается в процентах.

– тепло, внесенное поступающим в котельный агрегат воздухом, при подогреве последнего вне агрегата отборным паром, отработанным теплом и т.п. подсчитывается по формуле:

= [ – ], кДж/кг или кДж/м³,

где – отношение количества воздуха на входе в котел (в воздухоподогреватель) к теоретически необходимому; и – энтальпии теоретически необходимого количества воздуха на входе в котельный агрегат и холодного воздуха, которые определяются по Н-u таблице, кДж/кг или кДж/м³.

При отсутствии специальных указаний температура воздуха поступающего в котел, принимается равной 30°С.

Тепло, вносимое в агрегат паровым дутьем ("форсуночным" паром), определяется по формуле

кДж/кг,

где и – расход и энтальпия пара, идущего на распыливание топлива, кг/кг и кДж/кг.

Для подсчета суммарных объемов продуктов сгорания, воздуха и теплоты, отданной газами в поверхностях нагрева, вводится расчетный расход топлива, вычисляемый с учетом механической неполноты сгорания q₄ по формуле

, (м³/с ) (кг/с)

При сжигании газообразного и жидкого топлив q₄ = 0 и значение В_р = В (м³/с), (кг/с)

5.2. Потери тепла с уходящими газами.

В тепловом балансе котельного агрегата наибольшей является потеря тепла с уходящими газами . Величина ее составляет

4–8%располагаемого тепла. Относитель­ная потеря тепла с уходящими газами равна:

абсолютная

где – энтальпия уходящих газов;

– энтальпия холодного воздуха;

– потеря тепла от механической неполноты сгорания.

С повышением температуры уходящих газов потери тепла увеличиваются. При росте на 12-16°С повышается примерно на 1%. Поэтому желательно иметь возможно бо­лее низкую температуру дымовых газов, по­кидающих котельный агрегат.

Однако глубокое охлаждение газов требует больших поверхностей нагрева, которые в свою очередь обусловливают значительное гидравлическое сопротивление газоходов.

Оптимальные значения температуры уходящих газов для различных топлив устанав­ливаются на основании технико-экономических расчетов, сравнивающих стоимость дополнительных поверхностей нагрева и увеличение затрат на собственные нужды котельных агрегатов с получаемой экономией топлива.

5.3. Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива.

Процесс сжигания топлива не всегда идет полностью до образования продуктов полного сгорания: СО₂, SO₂ и Н₂О. Иногда в дымовых газах содержатся и продукты неполного горения: СО, Н₂, СН₄; тяжелые углеводороды.

Тепло, которое осталось химически связанным в недогоревших; газах, сохранившихся всмеси с продуктами полного сгорания топли­ва,не используется в котельном агрегате и составляет потерю от химической неполноты сгорания. Эта потеря может быть выражена впроцентах от располагаемо­го тепла:

В топочных камерах при сжигании всех видов топлива величина обычно не превышает 0,5%.

Потерю тепла от химической неполноты сгорания топлива при работе котельного агрегата рассчитывают на основании данных полного газового анализа продуктов сгорания по формуле:

где – – соответственно содержание окиси углерода, водорода, метана в продуктах сгорания,%;

– объем сухих газов, .

5.4. Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива.

Топливо, поступающее в топку, сгорает не полностью. Некоторое количество твердого топлива уносится продуктами сгорания в газоходы котла или остается недогоревшимв шлаке.

Механическая неполнота сгорания сопутствует сжиганию также жидких и газообразных топлив. Тяжелые углеводороды, содержащиеся в них, подвергаясь разложению, выделяют значительные количества свободного углеро­да в виде сажи. Особенно сильное сажеобразование наблюдается при горении вязких мазутов.

Тепло, содержащееся в твердых частицах топлива, унесенных дымовыми газами или удаленных из топки вместе со шлаком, не используется в котельном агрегате и составляет потерю от механической неполноты сгорания.

Она можете быть выражена в процентах от располагаемого тепла:

.

Для топочных камер потери тепла с механической неполнотой сгорания топлива слагаются из потерь тепла за счет недожога горючих сое­динений в шлаке уносе и провале .