Материальный баланс процесса горения топлива

На рис. 24 показана схема материальных балансов рабочих веществ в котле. Материальный баланс процесса горения рассмотрен применительно к сжиганию твердого топлива с получением газообразных и твердых продуктов сгорания.

В приходной части баланса процесса горения — количество топлива В, кг/с, и окислителя — воздуха L_в кг/с, организованно поступающих в топку для сжигания, а также воздух, подсасываемый (при работе под разрежением) по тракту котла в топку — ΔL₁ и балластный воздух ΔL₂ и ΔL₃, не участвующий в процессе горения топлива.

В расходной части материального баланса в общем виде — газообразные продукты сгорания, покидающие котел, ΔL_г кг/с, и твердые минеральные остатки—зола (шлак), выпадающие по тракту (G_зл1, G_зл2) улавливаемые в золоуловительной установке (G_зл3) и уносимые газообразными продуктами сгорания (G_зл4), кг/с.

В общем случае уравнение материального баланса процесса горения топлива в котле имеет вид

В + L_в+ ΣΔL = L_г+ ΣG_зл (13.1)

При работе на газообразном топливе в этом уравнении не содержатся члены, характеризующие твердые минеральные составляющие. При работе котла под наддувом отсутствуют присосы воздуха.

При определении расхода окислителя (кислорода, воздуха) учитывают, что для твердого и жидкого топлив, состав рабочей массы которых задается в процентах, горючими составляющими являются углерод, водород и сера:

С^р +Н^р+S^р_ор+к+О^р+N^р+А^р+W^р = 100

Согласно закону кратных отношений Дальтона горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к 1кг горючего, и выразив газообразные вещества в объемных единицах, делением их массовых количеств на значение плотностей получим количество кислорода и выход продуктов сгорания на 1 кг каждой составляющей горючей массы топлива в м³ при давлении 0,1013МПа (760мм. р. ст.) и 20^оС

для диоксида углерода: С + О₂=СО₂ образуется

12,01кгС+32кгО₂=44,01кг СО₂ (13.2)

Рис. 24. Схема материальных балансов рабочих веществ в котле:

1 — топочная камера; 2— испарительные поверхности нагрева; 3 — экономайзер; 4 — пароперегреватель; 5 — воздухоподогреватель; 6 — золоуловитель

для сжигания 1 кг С до СО₂ требуется V_О2=32/(12,0 ·1,428)= 1,866м³/кг О₂, где 1,428 кг/м³ плотность кислорода

для диоксида серы: S + О₂ = SО₂

32,06кг S + 32кг О₂ =64,06 SО₂ (13.3)

потребуется О₂ - V_О2=32/(32,06 ·1,428)= 0,69м³/кг

для водорода: 2Н + О₂ = 2 Н₂О

4,032кг Н₂ + 32кг О₂ = 36,032кг Н₂О (13. 4)

потребуется О₂ - V_О2=32/(4,032 ·1,428)= 5,56м³/кг

Суммируя затраты О₂ на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1кг топлива, и вычитая количество О₂, находящегося в топливе, получим теоретически необходимое количество О₂ для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива V⁰_О2, м³/кг:

(13.5)

где , , , О^Р - соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и кислорода в топливе, %; - плотность кислорода, кг/м³

В воздухе содержится О₂ примерно 21% по объему, поэтому теоретически необходимое количество воздуха для горения V⁰ м³/кг т.е. количество воздуха, которое необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащийся в нем кислород прореагирует, составляет

V⁰= / 0,21=0,0889·( +0,375 )+0,265 - 0,333 О^Р (13.6)

или в кг/кг

L₀ = 0,115 (С^Р + 0,375 )+ 0,342Н^Р — 0,0431О^Р (13.6 а)

В процессе горения, по мере расходования топлива, кислорода и уменьшения их действующих концентраций, выгорание топлива все более замедляется. В камерах сгорания парогенераторов условия реагирования ухудшаются также из-за недостаточно совершенного перемещения больших масс топлива и воздуха в процессе горения. Поэтому воздуха для горения подают больше его теоретически необходимого количества. Отношение количества воздуха, действительно поступившего в топку V_В, к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха:

α_Т = V_В / V⁰ (13.7)

Необходимый α_Т в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Высокореакционное твердое топливо обладает большим выходом летучих веществ, легко воспламеняется и быстрее сгорает, поэтому нуждается в меньшем избытке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих. Эффективное перемешивание топлива с воздухом достигается в газовоздушных смесях, поэтому сжигание мазута и газового топлива требует наименьшего избытка воздуха. Различные избытки воздуха нужны при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточных, или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания. Расчетный коэффициент α_Т устанавливается с учетом всех факторов согласно нормам теплового расчета паровых котлов (Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Под ред. К.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубовского, Э. С. Карасиной — М.: Энергия, 1973 - 296 с). Обычно его применяют для разных топлив в пределах:

при сжигании твердых топлив.............................1,15...1,25

при сжигании жидких топлив.............................1,03... 1,1

при сжигании газовых топлив..............................1,05... 1,1

Уменьшение α_Т дает экономию расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышает КПД котла, однако, его снижение ниже расчетного значения ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При проектных разработках котлов и парогенераторов величину α_Т выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конструкции топки. Для пылеугольных топок по условиям достижения большего значения КПД и интенсификации процесса горения оптимальными являются α_Т = 1,2...1,25, при этом нижний предел относится к бурым и каменным углям, а верхний к тощим углям и антрацитам. При размоле бурых и каменных углей в молотковых мельницах рекомендуется выбрать верхний предел, т.е. α_Т = 1,25. При жидком шлакоудалении из-за повышения температурного уровня и уменьшения присосов коэффициент α_Т может быть снижен: для однокамерных топок до 1,2; двухкамерных и циклонных топок - до 1,1. При сжигании природных газов и мазута в агрегатах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, коэффициент α_Т может быть снижен до 1,05.

Продукты сгорания

На действующих парогенераторах балансовыми испытаниями при различных нагрузках определяется оптимальное значение α_Т, при котором суммарная величина потерь тепла от механической и химической неполноты сгорания топлива и потерь тепла с уходящими газами оказывается минимальной.

Значение состава топлива и реакций окисления его горючих веществ позволяет рассчитать объем получающихся после сжигания топлива продуктов сгорания. В процессе эксплуатации осуществляется постоянный и периодический контроль состава продуктов сгорания для оценки полноты выгорания топлива и определения плотности газового тракта.

При тепловых расчетах котла или парогенератора по составу дымовых газов и температуре определяют энтальпию за каждой поверхностью нагрева. Значение объема газов позволяет выполнять аэродинамические расчеты. Реакции горения при высоких температурах идут с большой скоростью, поэтому состав конечных продуктов сгорания близок к равновесному. В зонах, где оказалась нехватка кислорода, могут остаться продукты неполного окисления исходных горючих компонентов. Состав продуктов сгорания при сжигании 1кг твердого или жидкого топлива или 1м³ газового топлива можно записать в следующем виде:

Топливо(1кг)+воздух→

(13.8)

где V_i - объемы отдельных газов в продуктах сгорания, м³/кг или м³/м³. Продукты сгорания топлива удобно разбить на три группы. Группа 1 в (2-7) - продукты полного окисления горючих элементов топлива. Они состоят из трех атомных сухих газов, обозначаемых через V_RО2:

V_RО2 = V_СО2 + V_SО2 (13.9)

и объема водяных паров V_Н2О. В составе трехатомных сухих газов всегда V_СО2 >> V_SО2 поскольку содержание серы в топливах мало. Группа 2 в (2.7) - объемы азота и кислорода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива и водяных паров (V_в.п.). Здесь V_N2 >> V_О2 т.к. О₂ в значительной мере израсходован на окисление. V_в.п включает в себя испарившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха. Группа 3 в (7.7) - продукты неполного окисления горючих элементов топлива, при этом V_СО > V_Н2 > V_СН4. Соотношение между объемами V_СО и V_Н2 в среднем составляет 3:1. Наличие в продуктах неполного сгорания объема V_СН4 свидетельствует о грубых отклонениях режима горения от нормы.

Рассмотрим полное сгорание топлива при условии, когда в продуктах сгорания V_СО2 =0; V_Н2 = 0; V_СН4 = 0; V_О2= 0. Количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1кг (м³) топлива при условии безостаточного использования О₂, называют теоретически необходимым объемом воздуха V⁰. В этом случае, согласно (2.7), теоретический объем продуктов сгорания:

V⁰_Г = V_СО2+ V_SО2+V ⁰_Н2О + V⁰_N2 (13.10)

Здесь выделяют теоретический объем сухих газов:

V⁰_СГ = V_СО2+ V_SО2 + V⁰_N2=+V_RО2+V ⁰_N2 (13.11)

и полный объем газов:

V⁰_СГ = V_С.Г.+ V ⁰_Н2О (13.12)

При этом в объем V⁰ входят все составляющие водяных паров в продуктах сгорания, рассмотренные выше, а объем V ⁰_N2 образуется в основном из азота воздуха с небольшим дополнением азота топлива, выходящего из него при нагреве вместе с другими летучими веществами.

Результаты расчетов приведены в таблице 3

Та б л и ц а 3.

Расход кислорода и выход продуктов сгорания при сжигании горючих составляющих то- плива

 

ЛЕКЦИЯ 11