Конспект лекцій м. Суми 2012 міністерство аграрної політики та продовольства україни



Сторінка2/5
Дата конвертації05.03.2017
Розмір1.13 Mb.
1   2   3   4   5

Антрацити - твердий, високої щільності, блискучий різновид вугілля, що містить більш 90 % вуглецю і має низький відсоток домішок. Горить без полум'я, диму і запаху. Високоякісне енергетичне паливо.

Вони мають найдавніший геологічний вік серед твердого палива. Вони чорного кольору, їм властиві висо­кі щільність і міцність, їх можна перевозити на великі від­стані без помітного подрібнення. Вологість антрацитів 3...7 %, зольність 10...18 %, вихід летких речовин 2...9 %.



2.2. Марки кам'яного вугілля

Вугілля

Марка

МДж/кг

Вугілля

Марка

МДж/кг

Довгополуменеве

Д

Понад 37

Пісне спікливе

ОС

14...22

Газове

Г

35

Слабкоспікливе

СЕ

25...37

Жирне

Ж

27...35

Пісне

Т

8...17

Коксове

К

18...27









Найбільш метаморфізований різновид вугілля кам'яного, що має високу теплотворну здатність. Злам раковистий, зрідка зернистий. Колір чорний або сіруватий, Блиск металічний. Густина 1500—1700 кг/м³, твердість 2—2,5; теплотворна здатність 33…35 МДж/кг — 8000—8600 ккал. Антрацит не спікається і дає порошок.

Хімічні властивості антрациту: вуглецю 92—97%, водню 2—3%, кисню 2—3%, азоту — 1%, фосфору—0,01%, вологи 2—4% , золи 3—9% , летких речовин 2—8%, сірки 1—3%. Під мікроскопом антрацит в тонких шліфах непрозорий, рослинні залишки невиразні.

Відходи - сільськогосподарського виробництва викорис­товують як паливо для виробничих та побутових потреб. До них відносять солому, стебла соняшника і бавовни, ко­стрицю, лушпиння соняшника, рисову лузгу тощо. За скла­дом органічної маси ці відходи близькі до деревини. З від­ходів сільськогосподарського виробництва із застосуванням зв'язуючих речовин одержують брикети. Вони найзручніші для спалювання.

4. РІДКЕ ПАЛИВО

Рідке паливо, що використовують для потреб теплоенер­гетики, одержують методами його термохімічного розкладу.

Нафта складається в основному з вуглеводнів трьох кла­сів: метанові вуглеводні — метан, етан, пропан, бутан, ізо­бутан тощо; нафтенові вуглеці — циклогексан тощо; арома­тичні вуглеці — бензол, толуол, нафталін тощо.

Склад нафти такий: Ср=83...87 %, Nр=11...14%, Sр від 0,01 — у малосірчистих нафтах до 5...7 — у високо-сірчистих, Ор = 0,1...0,3 %, Nр = 0,02...1,7 %. Нижча робо­ча теплота згоряння нафти Qp = 40...46 МДж/кг. Природні нафта містить не більше 0,3 % мінеральних домішок і 2 % води.

Із нафти, залежно від температури перегонки, одержу­ють нафтопродукти: бензинові, гасові, дизельні, солярові, мазутні. Для побутового опалення випускають пічне побу­тове паливо (ППП). У великих опалювальних котельнях, що працюють на рідкому паливі, звичайно застосовують мазут, а у невеликих котельнях та побутових установках — пічне побутове паливо.

Мазути, що застосовують у котлах, поділяють на топковімарок 40В і 40 (паливо середньої в'язкості) і топкові ма­зута 100В, 100 і 200 (паливо важке).

За вмістом у них сірки топкові мазути ділять на три групи: мало сірчисті (Sp<0,5%), сірчисті (Sp = 0,5...2 %) і високо сірчисті (Sp>2 %). Зольність мазутів не перевищує 0,1...0,3 %. Вміст води у мазуті коливається у великих ме­жах (від 0,5 до 5 %). Теплота згоряння мазуту становить 39...42 МДж/кг. Температура спалаху дорівнює 80...140°С. В'язкість, що визначається при температурах 50, 80 і 100 °С, коливається у межах 5...16°В. Густина мазуту дорівнює 0,98...1,05т/м3.

Пічне побутове паливо широко використовується у сіль­ськогосподарському виробництві. На цьому паливі працю­ють парові та водогрійні котли, теплогенератори, зерносу­шарки, установки для комунально-побутових потреб. Пічне паливо виробляється з нафти. Температура його застигання не вище —15 °С і тому ємкості, де зберігається паливо, і ба­ки, звідки воно надходить до установок для спалювання, розміщують в утеплених приміщеннях.

Пічне побутове малов'язке паливо (із умовною в'язкіс­тю не більше 1,15 ВУ). Температура спалаху не нижча +42 °С. Нижча теплота згоряння у перерахунку на сухе паливо — не менше 41,2 МДж/кг.

Гас використовують як паливо у теплогенераторах і су­шарках, а також для побутових потреб.

Дизельне паливо випускають двох марок ДТ і ДМ. Па­ливо марки ДТ має в'язкість при 50°С менше 5°ВУ, темпе­ратуру спалаху понад 65°С, температуру застигання мен­ше —5°С. Паливо марки ДМ характеризується в'язкістю при температурі 50°С, що дорівнює 20°ВУ, температурою спалаху 85 °С, температурою застигання —10 °С. Нижча теплота згоряння дорівнює приблизно 42,5 МДж/кг. Дизельне паливо використовують в основному у дизелях, у тому числі у дизельних електростанціях.

5. ГАЗОПОДІБНЕ ПАЛИВО

Газоподібне паливо поділяють на природне і штучне. До природного відносять газ, що видобувається з газових родовищ, попутний газ, одержуваний одночасно із видобут­ком нафти, а також газ, який видобувається із конденсатних родовищ. До штучних відносять гази, що одержують при переробці нафти, перегонці твердого палива, анаеробній ферментації відходів (біогаз), а також зріджені гази.



2.4. Характеристика природного газоподібного палива

Родовище,

газопровід



Склад газу по об'єму, %

Теплота згоряння

МДж/м3



Густина,

кг/м3, при

t=0оC і

р=101,3


кПа

СН4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

С5Н12

СО2

N2

Єфремівське

93,2

3,9

0,81

0,28

0,18

0.20

1,4

33,4

0,770

Джанкойське

96,0

0,5

0.20

0,04



0,20

3,0

32,5

0,740

Пролетарське

36,2

5,3

2,4

2,0

1,55

0,10

1,5

38,6

0,874

Дашава — Київ

93,9

0,3

0,10

0,10



0,2

0,4

35,9

0,712

Шебелинка — Дніпропетровськ

92,8

3,9

1,0

0,4

0,3



1,5

37,3

0,781

Гази, що видобуваються із газових родовищ, склада­ються в основному з метану (85...95 %). Вміст у них N2 = 0...4 %, С02—не більше 15%, H2S —не більше 6%. Нижча теплота згоряння цих газів QPH= 33...40 МДж/кг.

Генераторний газ одержують при перегонці твердого па­лива (кам'яне або буре вугілля, дрова, торф) із нестачею повітря близько 60 % у спеціальних установках — газоге­нераторах. Склад генераторного газу коливається у межах: СО = 25...30 %, Н2=12...15%, СН4 = 0,5...3,5 %, С02 = 5... 8 %, О2 = 0,2...0,5 %, N2=45...50 %. Нижча теплота згорян­ня генераторного газу 5...6,5 МДж/м3.

Лекція 3. Основи теорії горіння органічного палива

План


1. Загальні відомості.

2. Кінетичні основи процесу горіння

3.Фізичні уявлення про горіння палива.

4. Горіння твердого палива.

5. Горіння рідкого палива.

6.Способи спалювання рідкого палива.


1. Загальні відомості
Горінням називають процес екзотермічного окислен­ня горючої речовини, що швидко відбувається та супрово­джується інтенсивним виділенням тепла. В основі процесу горіння лежить хімічна реакція між горючою речовиною та окислювачем. Окислювачем звичайно служить повітря.

Горіння відрізняється від процесу окислення: швидко­плинністю перебігу в часі; змінністю концентрацій компо­нентів у міру їх взаємодії, зміною форми поверхні реа­гування у часі; високим значенням температури. Процес горіння — це складний фізико-хімічний процес, що зале­жить від взаємодії хімічних, теплових та гідродинамічних факторів.

Реакція горіння відбувається не безпосередньо між мо­лекулами вихідних речовин (палива і окислювача), а через проміжні стадії. Цим визначається ланцюговий механізм реакцій горіння, розроблений М. М. Семеновим. Реакція горіння є результатом ряду ланцюгових реакцій, що перебі­гають послідовно.

Залежно від фазового стану речовин, що реагують при горінні (тверді, рідкі, газоподібні), хімічні реакції поділя­ють на гомогенні, що відбуваються між компонентами, кот­рі перебувають в одній фазі (наприклад, у газоподібному стані), і гетерогенні, що відбуваються на межі двох фаз. Прикладами гомогенного горіння є горіння добре перемі­шаних газового палива і повітря, а також горіння швидко випарюваних рідких палив. При цьому мається на увазі їх перемішування з окислювачем до процесу горіння. Прикла­дами гетерогенного горіння служить горіння твердих палив і горіння крапель важких рідких палив, коли фронт горіння встановлюється на межі розділу палива і окислювача. Го­ріння палива є потоковим процесом і для його перебігу необхідне підведення компонентів (палива і окислювача) у зону реакції і відведення з неї продуктів згоряння.

Організація перебігу процесу горіння можлива у ламі­нарному та у турбулентному потоках окислювача. У загаль­ному випадку час горіння τг палива складається із часу пе­ребігу фізичних і хімічних процесів:

. (3.1)
2. Кінетичні основи процесу горіння
Швидкість хімічної взаємодії виражається зміною кон­центрації речовин, що реагують, за одиницю часу.

Згідно із законом дії мас в однорідному середовищі при постійній температурі швидкість реакції у кожний момент пропорціональна добутку концентрацій речовин, що реагу­ють.

До зворотної хімічної реакції можна скласти стехіомет­ричне рівняння:

, (3.2)

де — хімічні символи речовин, що реагують;



— стехіометричні коефіцієнти.

Швидкість прямої реакції виражається рівнянням:



(3.3)

і відповідно швидкість зворотної реакції:



, (3.4)

де k1 і k2 — константи швидкості відповідно прямої та зво­ротної реакції; — поточні концентрації речовин, що реагують.

При хімічній рівновазі швидкості прямої та зворотної реакцій дорівнюють одна одній: =

У цьому випадку можна записати:



, (3.5)

де &с — константа рівноваги, що є постійною величиною.

Швидкість реакції значною мірою залежить від темпе­ратури. Ця залежність виражається законом Арреніуса:

, (3.6)

де kО — передекспоненційний множник, що визначається

дослідним шляхом (k0 ~ ); Е — енергія активації, що дорівнює деякому потенціальному бар'єру, необхідному для руйнування початкових зв'язків у молекулі; R — універсаль­на газова стала; Т — термодинамічна температура, К.

Швидкість реакції горіння різко збільшується із підви­щенням температури. Тому для всіх реакцій горіння харак­терна особливість — щоб горіння відбулося, реагенти по­винні мати температуру, не нижчу від деякого граничного значення.

Тепловиділення при екзотермічній реакції для горючої суміші пропорціональне швидкості реакції:

(3.7)

де Q — теплота реакції горючої суміші.

Самозайманням називають ініціювання горіння у всьому обсязі реакційної суміші. Воно може статися при досягненні деякого граничного значення температури, що називають температурою самозаймання tc суміші. Ця тем­пература не є фізико-хімічною характеристикою, а зале­жить для кожного палива від умов підведення і відведення теплоти та інших факторів. Температура самозаймання водню знаходиться у межах 580...590 °С, оксиду вуглецю — 644...658 °С, метану — 650...750 °С.

У більшості технічних пристроїв горіння ініціюється не шляхом самозаймання, а запалюванням за допомогою фа­кела або електричної іскри.


3. Фізичні уявлення про горіння палива
Для перебігу реакції горіння необхідне перемішування компонентів (окислювача і палива) на молекулярному рів­ні, тобто забезпечення процесу масоперенесення компонен­тів, що реагують. У турбулентному потоці масоперенесення здійснюється за рахунок турбулентної дифузії, а у ламінар­ному потоці і у пограничному шарі — за рахунок молеку­лярної дифузії. Для розрахунку дифузійного масообміну між компонентами, що реагують, користуються рівнянням, аналогічним співвідношенню Ньютона для конвективного теплообміну:

, (3.8)

де j — густина потоку маси, кг/(м2*с); —коефіцієнт ди­фузного обміну, м/с, аналогічний коефіцієнту теплообміну ; С — різниця концентрацій поблизу поверхні розділу фаз і в осередку потоку (середовища), кг/м3. Коефіцієнт визначають із критеріальних рівнянь масообміну, аналогіч­них критеріальним рівнянням конвективного теплообміну. Подібно до константи хімічної реакції вводять поняття сумарної швидкості реакції , що оцінюється за швидкістю споживання одного з компонентів, що реагують. Константа швидкості реакції також виражає частоту активних стикань молекул, що ведуть до реакції, але з урахуванням дифузії і молекул компонентів, що реагують. Величина, тобто опір переходу газу, що реагує, у зону реакції із навколишнього середовища, складається із опору дифузії 1/ і хімічного опору:



. (3.9)

Можна виділити два граничних режими процесу горін­ня. Режим, за якого k>, ~ 1/, має назву дифузій­ного. (Дифузіяпроцес випадкового невпорядкованого переміщення частинок під впливом хаотичних сил, зумовлених тепловим рухом і взаємодією з іншими частками. А також — перенесення речовини, зумовлене вирівнюванням її концентрації (точніше, хімічного потенціалу) у спочатку неоднорідній системі.)

У цьому випадку сумарна швидкість реакції визнача­ється інтенсивністю масоперенесення компонентів, що реа­гують, у зону реакції. Час згоряння палива лімітується в основному часом сумішоутворення.

Режим, за якого k<, =1/, і швидкість реакції визначається швидкістю реагування компонентів, називають кінетичним. Для цього режиму горіння лімітується часом самої хімічної реакції.

Дифузійний режим горіння відбувається при подаванні палива і окислювача нарізно (наприклад, при дифузійному горінні газу, горінні розпиленого рідкого і твердого пали­ва). Він має місце при високій температурі процесу горіння.

Кінетичний принцип горіння здійснюється при спалюванні попередньо ретельно перемішаних сумішей газоподібного палива і окислювача, а також при низькотемпературному горінні твердих палив.

Суміш палива і окислювача згоряє звичайно у вигляді полум'я. При ламінарному русі палива та окислювача утво­рюється фронт полум'я, що являє собою шар, який відділяє неспалену суміш від продуктів згоряння.

За певних умов полум'я переходить у турбулентне. Швидкість поширення турбулентного полум'я практично пропорціональна інтенсивності турбулентних пульсацій. Ос­тання в свою чергу пропорціональна швидкості газу.

Максимальна температура полум'я досягається при кое­фіцієнті надлишку повітря, що дорівнює ~1 (так звана стехіометрична суміш). Розрізняють нижню (>1, бідна суміш) і верхню (<;1, багата суміш) концентраційні ме­жі поширення полум'я. Поза цими межами процес горіння не ведеться.
4. Горіння твердого палива
Горіння твердого палива являє собою складний фізико-хімічний процес, що складається із ряду послідовних (іноді таких, що накладаються частково одна на одну) стадій: підсушування палива і нагрівання до температури початку виходу летких речовин; спалахування летких речовин та їх вигоряння; вигоряння горючих речовин із коксу.

Волога із палива випаровується при температурі по­рядку 100 °С, а вихід летких речовин залежить від геоло­гічного віку палива. У торфі він відбувається при 280...390 °С, у бурого вугілля — при 420...540 °С, у пісного вугіл­ля і антрациту— при 780...800 °С.

При горінні палива із низьким виходом летких речовин (пісне вугілля, антрацити) час горіння визначається, в ос­новному, часом горіння коксу. Для палив, багатих на леткі речовини (дрова, торф, деякі види кам'яного вугілля), час горіння визначається горінням летких речовин.

Леткі речовини чинять на горіння подвійний вплив. Від палаючого факела летких речовин швидше прогрівається кокс, проте вони перехоплюють основну масу кисню, що при­зводить до гальмування горіння коксу. В міру зменшення виходу летких речовин зростає інтенсивність горіння коксу.

Процес горіння твердого палива характеризується швид­костями горіння. При цьому розрізняють три зони горіння: кінетичну, проміжну та дифузійну.

У кінетичній зоні горіння лімітується хімічною реакцією, що посилюється із підвищен­ням температури процесу.

У про­міжній зоні швидкості дифузії та хімічної реакції мають однакові значення. Підведений до палива окислювач, головним чином, ви­трачається на горіння.

У дифузійній зоні такою, що лімітує, стає швидкість дифузії. Залежність зміни швидкості горіння від температури і співвідношення кінетичної та дифузійної зон горіння наве­дена на рис. 2.1.



3.1. Графік залежності швидкості горіння від температури І, II, Іll — відповідно кінетичне, проміжна та дифузійна області


Зола палива знижує теплоту його згоряння, зменшує горючу частину і при значних кількостях її у паливі утво­рюється покривний зольний шар, що утруднює доступ кис­ню до частинок палива. Горіння може ускладнюватися шлакуванням, що з'являється, коли температура у зоні горіння перевищує температуру плавлення золи. На практиці при спалюванні високозольного твердого палива застосовують засоби видалення золи і руйнування шлакового шару (по­воротні колосники, шуровочні пристрої тощо). Крім того, прагнуть, щоб реакція горіння відбувалася при температурі, що запобігає утворюванню шлаку.
5. Горіння рідкого палива

Рідке паливо у теплоенергетичних установках, як прави­ло, спалюється у розпиленому стані, у вигляді крапель у потоці повітря. При наявності окислювача горіння рідкого палива можливе у паровому стані і тому процесам спалаху­вання і горіння краплі передує її випаровування. Процес горіння включає такі стадії: нагрівання та випаровування палива; перемішування парів палива з окислювачем (утво­рення горючої суміші); спалахування горючої суміші; влас­но горіння суміші.

У стаціонарному процесі швидкість горіння рідкого па­лива залежить від швидкості його випаровування. Процес випаровування за своєю природою є фізичним, горіння су­міші — це хімічний процес. Тому швидкість і час горіння рідкого палива будуть визначатися інтенсивністю перебігу фізичного та хімічного процесів. Якщо швидкість згоряння палива значно перевищує швидкість випаровування палива, можна прийняти, що швидкість горіння дорівнює швидкості випаровування (). У противному разі, прева­люючою є швидкість хімічної взаємодії і .

Для забезпечення потрібної інтенсивності випаровуван­ня рідких палив їх розпилюють у потоці повітря і у резуль­таті утворюється полідисперсний потік дрібних краплин розмірами від 0 до 0,15...0,2 мм. Цим досягається велика пи­тома поверхня випаровування, а потім і горіння. Теплота, необхідна для випаровування палива, передається поверхні краплі із зони горіння, в основному, випромінюванням і у результаті часткової дифузії всередину парової оболонки продуктів згоряння. Структура факела рідкого палива наве­дена на рис. 3.2.



3.2. Структура факела рід­кого палива:

1 — фронт займання; 2 — зона пароповітряної суміші та про­дуктів горіння; 3 — зона паро­повітряної суміші та краплин пали­ва; 4 — фронт горіння
6. Способи спалювання рідкого палива

Для швидкого та економічного спалювання рідкого па­лива необхідно забезпечити такі умови: дрібний розпил, ретельне перемішування із окислювачем і стабілізація го­ріння.

Для розпилювання рідкого палива застосовують фор­сунки, що поділяють на чотири види: механічні, парові, ро­таційні та пневматичні.

для розпилення рідини, яка надходить в нього під тиском. Форсунки використовують для подачі рідкого палива у зону горіння і вони забезпечують рівномірне і повніше згоряння палива в котлах, камерах згоряння теплових двигунів. Форсунки використовуються також для розпилення води (наприклад, для зволоження повітря і ґрунту), отрутохімікатів, фарби, добрив та ін. з метою забезпечення рівномірного розподілу часток рідини по поверхні чи об'ємі.

До паливних форсунок відносяться пристрої, що використовуються для підготовки рідкого палива до горіння, яка полягає в доведенні палива до такого стану, в якому воно легко перемішується з повітрям (окислювачем). Для підготовки до горіння паливо подрібнюється шляхом розпилювання або випаровується за допомогою нагрівання. Відповідно до цього виділяють два типи паливних форсунок: розпилювальні і випарні. Останні називаються також пальниками.
У механічних форсунках розпилювання відбувається за допомогою паливного насоса. Перед форсункою паливо має бути очищене від механічних домішок, які можуть засміти­ти отвори форсунки. Тиск палива перед форсункою звичай­но становить 1,2...1,6 МПа.

Будова механічної форсунки із механічним розпилюван­ням наведена на рис. 3.3, а. Мазут із ствола 2 подається через отвори розподільного диску, звідки через отвори роз­пилювальної головки надходить у топку.




3.3. Мазутні форсунки:

а — з механічним розпилюванням; б — з паровим розпилюванням;

1 — корпус; 2 — ствол із розподільними дисками; З і 4 — зовнішня і внутрішня труби; 5 — сопло; 6 — ди­фузор; 7 — насадка

У парових форсунках розпилювання відбувається за до­помогою пари. У цих форсунках (рис. 2.3, б) мазут надхо­дить у кільцевий простір між трубками 3 і 4. Пар для роз­пилювання проходить через внутрішню трубку до дифузора 6, внаслідок чого створює розрідження і набуває великої швидкості. Мазут надходить до дифузора, захоплюється парою і розпилюється за допомогою насадки 7 із отворами. На 1 кг мазуту витрата пари становить приблизно 0,4 кг.



3.4. Ротаційна форсунка:

1 — електродвигун; 2 — підйомники; 3 — гайка з отворами; 4 — стакан; 5 — первинний завихрювач; 6 — завихрювач; 7 — трубка, що проходить всередині валу; 8 — пустотний вал

У ротаційній форсунці (рис. 3.4) паливо (підігрітий ма­зут) по трубці 7, що проходить всередині валу, подається на внутрішню поверхню стакана 4, що обертається із час­тотою 5000...7000 хв-1. Завдяки цьому паливо швидко роз­тікається тонким шаром і під впливом відцентрової сили розбризкується. Потік повітря проходить через завихрювач 5 і розбиває паливо на дрібні частинки, виносячи їх до топ­кового об'єму. Вал із стаканом обертається від електродви­гуна через пасову передачу.

У пневматичних форсун­ках (рис. 3.5.) мазут вно­ситься у топку повітрям, що надходить через внутрішній канал 1 пальника до завихрювача 2. Після виходу із завихрювача повітря захоплює мазут, поданий через ствол 6 пальника. Вторинне повітря надходить у топку через ка­нал 5 та регістр 4. Призначення останнього — забезпечити вихровий рух повітря.

3.5. Форсунка із пневматичним розпилюванням:

1 — внутрішній канал; 2 — завихрювач;

З — півпарне кільце; 4 — регістр; 5 — зовнішній канал; 6 — мазутний ствол

Рідке паливо спалюють у камерних топках із цегляною кладкою, яка, акумулюючи теплоту, сприяє стійкому про­цесу горіння. Теплонапруження топкового об'єму при спа­люванні мазуту не перевищує 300 кВт/м3. Коефіцієнт над­лишку повітря звичайно перебуває у межах 1,15...1,35.

3.6. Схема подачі мазуту до ме­ханічних форсунок:

1 — насоси; 2 — фільтри; 3 — підігрів­ник; 4 — розпалювальні форсунки

Схема подачі мазуту до механічних форсунок наведена на рис. 2.6. Із бака мазут насосами 1 подається до філь­трів 2. Для зменшення в'язкості палива і поліпшення умов його розпилювання паливо підігрівають у підігрівнику З, звідки воно надходить до форсунок 4


Лекція 4. Горіння газоподібного палива

План

1. Розрахунки процесів горіння газоподібного палива.



2. Витрата повітря, необхідного для горіння.

3. Склад і об'єм продуктів згоряння.

4. Ентальпія продуктів згоряння.
1. Розрахунки процесів горіння газоподібного палива.
Визначальною особливістю горіння газоподібного пали­ва є те, що обидва компоненти, які реагують (паливо та окислювач), перебувають в одній газоподібній фазі. Організація горіння цього палива можлива як при попередньо­му перемішуванні окислювача і палива, так і при розділь­ній їх подачі до топки.

Газоповітряна суміш, що надходить, взаємодіє із оточу­ючим середовищем, у результаті чого відбувається її нагрі­вання у турбулентному пограничному шарі. У периферичній зоні струмини газоповітряна суміш спалахує, утворюючи зону горіння. Ця зона розширюється в міру віддалення від устя сопла пальника. В ядрі струмини гази рухаються із постійною швидкістю і при постійній температурі. У цій зо­ні суміш не горить. Видимим фронтом горіння є ділянка факела, що включає зону займання 1, і товщину турбу­лентного фронту горіння 6Т (рис. 4).1. Під впливом турбу­лентних пульсацій фронт полум'я не залишається постій­ним й іноді розривається на окремі вогнища.



4.1. Структура факела газоподібного палива:

С — крива зміни концентрації горю­чої суміші; Т — крива зміни температури; — довжина зони займання; — довжина факела; АВ — переріз сопла; — товщина фронту турбулентного горіння; — зона догоряння

При роздільному надходженні у топковий об'єм газопо­дібного палива і окислювача має місце дифузійний режим горіння, в якому визначальним є процес сумішоутворення. При турбулентному поширенні газу в зону горіння із ото­чуючого середовища дифундує повітря, а з ядра струми­ни — газоподібне паливо. У результаті цього дифузійні потоки палива та повітря вступають у хімічну реакцію. У даному випадку швидкість горіння визначається інтен­сивністю дифузії, а положення зони горіння — умовами тур­булентної дифузії.

При кінетичному горінні фронт полум'я являє собою поверхню розділу між горючою сумішшю та продуктами згоряння. При дифузійному горінні газу дифузійний фронт являє собою поверхню розділу між продуктами згоряння і сумішшю газу із продуктами згоряння, що дифундують назустріч потокові. Змішане го­ріння характеризується особ­ливостями вказаних двох спо­собів горіння. Схеми фронтів горіння наведені на рис. 2.8

4.2. Схема фронтів горіння;



а — кінетичного; б — змішаного;

в — дифузійного; 1 — продукти згоряння; 2 — окислювач


Будова пальників для спа­лювання газоподібного палива наведена у главі 14. Значне поширення одержали комбіновані газомазутні пальники, призначені для спалювання природного газу і мазуту. На практиці використовують пальники типу ГМГ, модернізований варіант ГМГм, НГМГи, ГМГБ. Для котлів невеликої паропродуктивності застосовують газомазутні пальники НГМГ, що пристосовані до роботи із повітряним або паромеханічним розпилюванням палива (рис. 4.3). Газоподібне паливо надходить у кільцеву камеру 6, а звідти до регістра 5. Первинне повітря подається через патрубок 1 і завихрювач 3 у зону виходу газу. При спалюванні мазуту паливо потрапляє у зону завихрювачів через трубку 7. Ці пальники стійко працюють у широкому діапазоні регулю­вання.

4.3. Газомазутний пальник НГМГ:

1 — патрубок для первинного повітря; 2 — патрубок для підведення газу; 3 — за­вихрювач повітря; 4 — кільцевий отвір; 5 — регістр; 6 — газова камера; 7 — труба для виходу газу; 8 — патрубок для вторинного повітря
У газомазутному пальнику ГМГБ (рис. 4.4) газ надхо­дить із підвідного трубопроводу і кільцевого колектора 10, що має отвори для виходу газоподібного палива. Повітря надходить через патрубок 1. Лопатковий завихрювач 11 за­безпечує ретельне сумішоутворення пального і окислювача. Для спалювання мазуту служить форсунка 4. При роботі пальника на газі стабілізатор 12 разом із мазутною форсун­кою 4 виносять за межі завихрювача.

4.4. Газомазутний пальник ГМГБ;

1 — передня стінка повітряного короба; 2 — рама; 3 — заглушка; 4 — мазутна фор­сунка; 5 — штуцер для вимірювання тиску газу; 6 — штуцер для вимірювання тиску повітря; 7 — задня стінка повітряного короба; 8 — подача газу до колектора; 9 — фланець; 10 — газовий колектор; 11 — лопатевий завихрювач; 12 — стабілізатор полум'я; 13 — амбразура


2. Витрата повітря, необхідного для горіння
Балансові рівняння, які показують початкові та кінцеві стани компонентів, що беруть участь у хімічних реакціях, називають стехіометричними. При повному згорянні горю­чих елементів мають місце відношення:

С + 02 = С02; 2Н2 + 02 = 2Н20; S + 02 = S02.

Враховуючи, що густина кисню в нормальних умовах дорівнює 1,43 кг/м3 і те, що вміст його у сухому повітрі складає по об'єму 0,21, то об'єм теоретично необхідного по­вітря для спалювання 1 кг твердого або рідкого палива V0, м3/кг, можна виразити формулою:

VО = 0,0889 Р + 0,375SЛ ) + 0,265Нр 0,03330р. (4.1)

При спалюванні сухого газового палива розрахунок V0, м33, провадять за формулою:

VО = 0,047 [0,5СО + 0,5Н2 + 1,5H2S Σ (m ± ) СmНn - 02]. (4.2)

Оскільки забезпечити рівномірне перемішування повітря із паливом складно, у топку доводиться подавати більше повітря, ніж це необхідно теоретично. Відношення кількос­ті повітря Vn, дійсно поданого у топку, до теоретично необ­хідної V0 називають коефіцієнтом надлишку повітря:



. (4.3)

Звідки дійсний об'єм повітря:



. (4.4)

Коефіцієнт надлишку повітря залежно від виду палива і способу його спалювання коливається у межах від 1,05 до 1,5. Чим сприятливіші умови для змішування повітря із па­ливом, тим менше значення надлишку повітря.


3. Склад і об'єм продуктів згоряння
При організації горіння палива намагаються забезпечи­ти його повне згоряння, тобто повне окислення елементів го­рючої маси. Звичайно кількість неповного горіння CO, NO, Н2 невелика, і їх наявність незначно впливає на сумарний об'єм газів.

Повний об'єм топкових газів дорівнює сумі сухих газів VС. г і водяних парів Vh2o, м3/кг:



. (4.5)

Цю формулу записують так:



, (4.6)

де Vro2 — об'єм сухих триатомних газів ( Vro2 = Vco2+ Vso2); 0,79 anV° — азот повітря, що знаходиться у продуктах зго­ряння (азотом палива нехтуємо); 0,21 (ап—1) V0 — надлиш­ковий кисень повітря.

При згорянні 1 кмоль вуглецю і сірки утворюється по 1 кмоль відповідно С02 і S02. Враховуючи, що у нормаль­них умовах об'єм 1 кмоль ідеального газу дорівнює 22,4 м3, можна записати вираз для об'єму триатомних сухих газів, м3/кг:

Vro2 = (0,01Ср/12 + 0,01 Sл /32)22,4 = 0,01866(Ср + 0,375 ). (4.7)

Водяна пара у топкових газах утворюється у результаті згоряння водню у кількості 9Hp/100*0,805)=0,111Hp і ви­паровування вологи палива Wp/100*0,805) =0,0124Wp. Крім того, волога надходить із повітрям, що йде на горіння. При вологовмісті ав= 10 г/кг або 13 г/м3 об'єм водяної пари із повітря буде: anV°/100*0,805) =0,0161VO. У наведених виразах 0,805 кг/м3 — густина водяної пари у нормальних умовах (в ідеально-газовому наближенні).

Таким чином, теоретичний об'єм водяної пари дорівнює, м3/кг:

2о = 0,111НР+0,0124Wр + 0,016V°. (4.8)

Для більшості видів палива значення V0, VRO2, Vh2o табульовані.
4. Ентальпія продуктів згоряння
Ентальпія - (або теплова функція, від грец. enthálpo — «нагріваю») — термодинамічний потенціал, що характеризує стан термодинамічної системи при виборі як основних незалежних змінних ентропії (S) і тиску (P). Позначається H(S,P,N,xi) або W(S,P,N,xi), де N — число частинок системи, xi — інші макроскопічні параметри системи. Ентальпія — адитивна функція, тобто ентальпія всієї системи дорівнює сумі ентальпій її складових частин. Таким чином ентальпія дорівнює сумі внутрішньої енергії і добутку тиску на об'єм.

Згідно із першим законом термодинаміки кількість теп­лоти, що віддається потоком газів поверхням нагрівання, дорівнює різниці ентальпії газів до і після теплообмінни­ка (якщо технічна робота не здійснюється, а швидкісним напором можна знехтувати). Тому ентальпію продуктів згоряння 1 кг твердого палива або 1 м3 газоподібного пали­ва обчислюють за формулою:

Hг = Vrcrtr, (4.8)

де Vr — об'єм продуктів згоряння, м3/кг; сг — середня об'­ємна теплоємкість при постійному тиску продуктів згорян­ня, кДж/(м3*К); tГ - температура газу, °С.

Із врахуванням надлишкового повітря (αп—1)V° маємо:

Нг = Нг°+(αП-1)НпО, (4.9)

де Нг— ентальпія продуктів повного горіння при αn = 1; H°—V°(ct)п — ентальпія теоретично необхідного об'єму повітря і (ct)n — ентальпія 1 м3 вологого повітря.

Розрахунки щодо визначення кількості теплоти, яка від­дається продуктами згоряння поверхням нагрівання теп­лообмінників котельного агрегату, зручно виконувати за допомогою Нt-діаграми. На цій діаграмі нанесені лінії, що відтворюють залежність ентальпії продуктів згоряння Hг від їх температури при різних значеннях коефіцієнта над­лишку повітря αп. За Нt-діаграмою можна визначити та­кож температуру, які мали б продукти згоряння за умови, що вся теплота горіння витрачається тільки на їх нагріван­ня, а тепловтрати відсутні. Цю температуру називають адіабатною.

Адіабата— крива, що графічно зображує зв'язок між двома характеристиками стану атмосферного повітря при адіабатичних процесах. Крива, яка описує залежність між термодинамічними параметрами в системі, що не обмінюється теплом з середовищем.

Набір станів термодинамічної рівноваги системи, що характеризуються однаковою енергією.

Залежність тиск-об'єм на термодинамічній діаграмі стану.
Теплота, що віддається продуктами згоряння у розра­хунку на одиницю кількості згорілого палива, визначають за Нt-діаграмою як різницю їх ентальпій:

(4.10)

де і — ентальпія газів відповідно до і після теплообмінника котельного агрегату.


Лекція 5. Котельні установки.
1   2   3   4   5


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка