Главная Обратная связь

Дисциплины:






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 (0,01Ор кг/кг), остальное, в количестве МO2 = 0,01(2,67Ср + 8Нр + Sp – Ор) 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 = MO2/0,231×1,293 = 0,0889(Ср + 0,375Sp) +0,265Нр – 0,0333Ор.

По аналогии можно получить формулу для определения расхода воздуха при сжигании газообразного топлива, м33:

.

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 Св - 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).

 





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...