Эрдман С.В. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебное пособие.

Подождите немного. Документ загружается.

– массовая доля i-го компонента;

′

- объемная удельная теплоемкость i-го компонента;

- массовая удельная теплоемкость i-го компонента;

t – температура продуктов сгорания.

2.7. Эксергия продуктов сгорания

Рассчитывают физическую эксергию продуктов сгорания по вы-

ражению

(

)

(

)

r r or o r or

HH TSS=− − −

(2.7.1)

где Н

, S

, H

, S

– энтальпия и энтропия продуктов сгорания при

t окружающей среды и заданной температуре;

– температура окружающей среды,

К;

гг

;

SG у S

⋅⋅

∑

(2.7.2)

гг

SV xS

′

⋅⋅

∑

(2.7.3)

Пример 1. Паровой котел производительностью 20 т пара в час

отапливается мазутом: С – 84,5 %; Н – 12,5 %; О – 1,5 %; W – 1,5 %.

Сжигание производится при коэффициенте избытка воздуха, равном

1,15.

Рассчитать: а) теплоту сгорания топлива; б) расход воздуха;

в) состав продуктов сгорания 1 кг мазута.

Решение. Теплота

сгорания определяется по формуле

Менделеева:

(

)

339 84,5 1256 12,5-1,5 109-25 9 12,5 1,5 41300 кДж/кг.Q =⋅ + ⋅ ⋅ ⋅+=

Теоретический расход воздуха на 1 кг мазута

8 0,845 8 0,125-0,015

13,96 кг/кг.

0,232

⋅+⋅

Действительный расход воздуха на 1 кг мазута

1,15 13,96 16,05 кг/кг.

V =⋅ =

Массовый состав продуктов сгорания 1 кг мазута

кг %

СО

11/3*0,845 3,098 18,17

90,125+0,015 1,140 6,69

0,768*16,050 12,326 72,30

0,232(16,05-13,96) 0,485 2,84

17,049 100,00

Вопросы и задания для самоконтроля

Чем отличается высшая теплота сгорания топлива от низшей?

Как рассчитывается теплота сгорания для твердого топлива, для

газообразного?

Как можно рассчитать количество образовавшегося продукта сго-

рания при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива?

Как влияет коэффициент избытка воздуха на количество продук-

тов сгорания?

Как рассчитывается энтальпия продуктов сгорания?

Какой тип эксергии используется при расчете эксергии продуктов

сгорания и почему?

2.8. Горелки для сжигания газового топлива

Наиболее широкое распространение в промышленности получи-

ли горелки для сжигания газового топлива. Однако до сих пор не

установлена единая классификация горелочных устройств. Так, на-

пример, их можно классифицировать по теплопроизводительности,

давлению газа, давлению воздуха, длине пламени, способам подачи

горючего и окислителя, целям применения, закрученному или прямо-

точному потокам воздуха и

газа, методу смешения и т. п. Классифи-

кация горелок также может производиться и по определяющим ха-

рактеристикам, которые положены в основу физической сущности

протекающих процессов. Внутри этой классификации горелки мож-

но подразделить по давлению газа, характеру факела, длине пламени,

теплопроизводительности и др. Кроме того, определяющим может

быть относительное количество первичного воздуха

и процесс его

смешения с топливом (воздух, непосредственно подаваемый в газо-

вые горелки, называется первичным, а поступающий из топочного

пространства – вторичным).

Для сжигания газового топлива различают два основных типа

горелок:

1. Эжекционные (воздух поступает под действием разряжения,

созданного газовыми струями и тягой в камере горения).

2. С принудительной подачей воздуха.

Эжекционные горелки. Существует множество разновидностей

конструкций горелок данного типа. Эжекционные горелки являются

горелками полного смешения, т. е. у данного типа горелок на сме-

шение подается все количество воздуха, что позволяет достичь более

полного сжигания топлива при меньшем избытке воздуха. Из суще-

ствующего множества различных видов эжекционных горелок ос-

новные отличия одной разновидности горелок от другой заключают-

ся в различной конструкции смесителя и стабилизатора пламени.

Так, известны горелки с одно-, двух- и трехступенчатыми сме-

сителями. Принцип многоступенчатого смесителя заключается в

том, что на первую ступень подается все количество топлива и

только то количество воздуха, чтобы смесь загорелась. Далее, на по-

следующих ступенях, дымовые газы эжектируют дополнительное

количество воздуха, что позволяет сжечь топливо с минималь-

ным коэффициентом избытка воздуха (рис.2.8.1,б). Однако наи-

большее распространение получили горелки с одноступенчатым

смесителем (рис.2.8.1,а), т. к. эти горелки наиболее компактны и

просты в эксплуатации.

Рис. 2.8.1. Схемы эжекционных горелок

Одним из недостатков эжекционных горелок является то, что

режим горения может быть нестабильным (из-за хорошего переме-

шивания топлива с воздухом пламя может проскочить в горелку, что

вызовет ее разрушение, а при плохом — пламя может оторваться от

горелки), поэтому для стабилизации горения используют различные

стабилизаторы пламени. Как правило, стабилизатор пламени выпол-

нен из сотовой керамики или пластин из спецсталей и при работе го-

релки находится в раскаленном состоянии. При этом стабилизатор

пламени одновременно выполняет две функции: огнепреградителя

(каналы слишком узки для свободного проскока пламени) и "поджи-

гателя" горючей смеси (если пламя вдруг погаснет). Наиболее широко

известны горелки со щелевым стабилизатором пламени: щелевые го-

релки (рис.2.8.2,а) и панельные излучающие горелки (рис.2.8.3,б).

Рис. 2.8.2. Схемы эжекционных горелок со стабилизаторами пламени

Панельные горелки иногда называют инфракрасными горелками,

т. к. диаметр каналов достаточно мал (от 1 до 20 мм), и процесс сгора-

ния топлива полностью протекает внутри блока, который нагревается

до достаточно высокой температуры.

Кроме представленных выше, существует множество разновид-

ностей эжекционных горелок, т. к. их преимущества по сравнению с

другими горелками заключаются в том, что:

- горелки конструктивно достаточно просты и надежны;

- нет необходимости в дополнительном оборудовании для пода-

чи и регулирования количества воздуха.

Однако эти горелки имеют и недостатки:

- необходимо использовать газовое топливо только среднего и

высокого давления;

- мал диапазон надежного регулирования производительности го-

релки;

- достаточно длинные смесители препятствуют созданию горелок

большой единичной мощности;

- данные горелки достаточно сильно шумят, особенно при высо-

ком давлении газа.

Горелки с принудительной подачей воздуха. Как и у эжекционных

горелок, существует множество разновидностей горелок с принудитель-

ной подачей воздуха. Строго говоря, этот тип горелок можно было бы

называть горелками с принудительной подачей газа и воздуха, однако

поскольку газ всегда подается принудительно, то горелки получили свое

название по способу подачи воздуха. Для принудительной подачи воз-

духа, объем которого более чем в 10 раз больше, чем газового топлива,

требуется дополнительное оборудование: воздуходувки или вентилято-

ры, что значительно усложняет и удорожает конструкцию всего энерго-

технологического агрегата. Поэтому эти горелки рекомендуется исполь-

зовать там, где непригодны или неперспективны горелки других видов.

Тем не менее горелки данного типа находят все большее применение и

иногда даже вытесняют эжекционные горелки, т. к. потребители готовы

платить за преимущества, которые появляются при использовании горе-

лок с принудительной подачей воздуха:

- совмещение процессов смешения и горения в факеле позво-

ляют создавать горелки с регулируемой длиной факела;

- принудительная подача газа и воздуха позволяет конструиро-

вать достаточно мощные горелки относительно небольших размеров,

которыми легко управлять дистанционно и которые позволяют сжигать

топливо при относительно небольших коэффициентах избытка воздуха;

- этот тип горелок малочувствителен к перепадам в давлении газа и

разряжения в топке и может работать как на холодном, так и на подог-

ретом за счет "бросовой" теплоты воздухе, что улучшает общие технико-

экономические показатели установки;

- кроме того, используя одну единственную горелку, можно сжи-

гать как чисто газовое, так и жидкое, твердое (пыль) топливо и их

смесь (существуют как чисто газовые, так и комбинированные: газо-

мазутные, пылегазовые и пылегазомазутные горелки).

Однако в химической промышленности наибольшее распростране-

ние нашли чисто газовые горелки. На рис.2.8.3 видно, что для лучшего

перемешивания и соответственно сжигания топлива воздух перед сме-

шением закручивается в осевом направлении специальным лопаточным

завихрителем. По принципу закручивания в разные стороны потоков га-

за и воздуха, либо только газа, либо только воздуха, либо вообще без за-

кручивания потоков устроены другие конструкции горелок этого типа.

Рис.2.8.3. Газовая горелка

2.9. Особенности сжигания жидкого топлива

Так как скорость сжигания жидкого топлива определяется степе-

нью его распыления (размером капельки) и перемешиванием аэрозо-

ля с воздухом и продуктами сгорания, то в отличие от горелок, пред-

назначенных для сжигания газового топлива, многообразие горелок

для сжигания жидких топлив в основном определяется конструкция-

ми форсунок для распыления жидкости. При этом любой тип форсун-

ки устанавливают в горелке, через которую подается закрученный в

завихрителе воздух.

Существуют два способа сжигания жидких топлив:

1. Сжигание топлива с предварительным испарением. Например:

сжигание паров бензина в двигателе автомашины, сжигание сжижен-

ного газа из баллона и т. п. В этом случае сжигание топлива ничем не

отличается от сжигания газа.

2. Если топливо очень трудно испарить, то применяется непо-

средственное сжигание жидкого топлива. Например: сжигание мазута

в котлах, сжигание дизельного топлива в дизельных двигателях и т. п.

Рассмотрим более подробно процесс сжигания жидкого топлива

в энерготехнологических агрегатах. Схема факела при сжигании

жидкого топлива представлена на рис.2.8.4.

Рис.2.8.4. Схема факела при сжигании жидкого топлива

На рисунке видно, что горение жидкого топлива имеет некоторые

особенности:

- воспламенение топлива происходит на некотором расстоянии от

самой горелки (фронт воспламенения), что определяется необходи-

мостью

нагрева топлива до температуры, соответствующей верхне-

му пределу (тепловой поток должен обеспечить скорость испарения,

равную скорости сжигания топлива);

далее, процессы испарения, перемешивания паров с возду-

хом, термическое разложение высших углеводородов и горения

протекают одновременно до полного сгорания топлива;

если не полностью сгоревшая капелька топлива выйдет из

зоны высоких температур, то тепловой поток будет недостаточен и

процесс испарения легких углеводородов и процесс термического

расщепления высших углеводородов, а следовательно и процесс

горения прекратятся, а не полностью сгоревшие углеводороды (в

зависимости от глубины сгорания) будут образовывать "сухую" или

"жирную" сажу; аналогичный процесс (образования сажи) будет

иметь место при сжигании топлив, имеющих низкую теплоту сгора-

ния из-за наличия большого количества воды или других приме-

сей, а также для топлив, имеющих большое количество высоко-

молекулярных соединений, т.к., в отличие от чистых жидкостей,

жидкое углеводородное топливо состоит из смеси фракций, поэто-

му легкие фракции будут испаряться в первую очередь и темпера-

тура кипения будет увеличиваться.

Как следует из сказанного, скорость горения жидких топлив

определяется скоростью их испарения, т. е. количеством подведен-

ной теплоты к единице массы топлива. Так как количество теплоты в

основном определяется теплотой сгорания топлива, то для более

интенсивного испарения можно увеличить площадь теплопереда-

чи и уменьшить массу капли, что достигается при более мелком

распылении топлива.

Таким образом, можно сформулировать основные требова-

ния к горелкам для сжигания жидкого топлива:

1) максимально мелкое и стабильное распыление топлива (ес-

ли топливо вязкое, то его необходимо предварительно подогре-

вать);

2) хорошее перемешивание образовавшегося аэрозоля топлива с

окислителем и продуктами сгорания.

2.10. Форсунки для сжигания жидкого топлива

Из всего множества существующих форсунок, предназначен-

ных для распыления топлива, наибольшее распространение полу-

чили механические, пневматические и ротационные форсунки.

Механические форсунки:

Согласно рис.2.8.5 жидкое топливо

(М)

под высоким давлением (более 10 атм) подается в форсунку,

ко-

торая имеет раскручивающий элемент (2). Проходя раскручивающий

элемент, поток топлива достаточно сильно закручивается в осевом на-

правлении и выходит через центральное отверстие в шайбе (1). Топливо

после выхода из отверстия за счет центробежной силы растекается по

"чашеобразной" поверхности форсунки и в виде пленки срывается в

поток воздуха, который разбивает пленку топлива на очень мелкие

капли.

Рис.2.8.5.

Механическая форсунка

1- шайба с отверстием; 2- раскручивающий элемент

Механическая форсунка достаточно широко используется для

распыления чистого топлива, например в дизельных двигателях,

однако основным недостатком форсунок данного типа является то,

что из-за очень маленьких отверстий они легко могут быть забиты

механическими примесями.

Пневматические форсунки: В отличие от механических пневма-

тические форсунки специально предназначены для распыления топ-

лива, которое может содержать механические примеси. Так, разно-

видности данного типа форсунок достаточно широко используются

при сжигании мазута.

Рис.2.8.6. Пневматическая форсунка

Ротационные форсунки: В отличие от предыдущих типов форсунок рота-

ционные форсунки абсолютно не боятся механических загрязнений, т. к.

вообще не имеют тонких отверстий. Схема конструкции представлена на

рис 2.8.7.

Рис.2.8.7. Ротационная форсунка

1- трубка; 2- распыливающий стакан; 3- полый вал

Работа форсунки заключается в том, что распыливающий стакан

(2) вместе с полым валом (3) вращается со скоростью 80-120 об/с.

Поток топлива (М) подается по трубке (1) на конусную часть стакана

(2) и под действием центробежных сил разбрызгивается.

Кроме возможности работать на относительно грязном топливе,

данная форсунка может легко регулироваться по нагрузке. Однако

конструкция горелки требует квалифицированного обслуживания и

достаточно дорога, т. к. для ее работы требуется электродвигатель.

2.11.Топки для сжигания твердого топлива

Исходя из требований к твердому топливу и к самому процес-

су сжигания, горелка или топка для сжигания твердого топлива

должна обеспечивать:

- создание хорошо фильтрующего горящего слоя топлива, обес-

печивающего хороший доступ кислорода воздуха к каждой частичке

твердого топлива;

возможность сжигания мелкого топлива без его уноса потоком;

возможность легкого удаления золы из топки.

Наиболее традиционной разновидностью топки, применяющейся уже

достаточно длительное время, является слоевая топка (см. рис.2.8.8).

Модификацией слоевой топки, позволяющей механизировать подачу

топлива на горение и выгрузку шлака, является механическая топка

(см. рис.2.8.9). Более интенсивно, чем слоевая и механическая топки,

твердое топливо позволяет сжигать топка кипящего (псевдоожижен-

ного) слоя (см. рис.2.8.10), которая широко применяется в химиче-

ской промышленности, например: для обжига колчеданов при произ-

водстве серной кислоты, для сжигания отходов, шламов и т. п. Суще-

ствуют топки, снабженные горелками, которые специально предна-

значены для сжигания пылеобразного твердого топлива – факельные

топки (см. рис.2.8.11). К высокоинтенсивным топкам, позволяющим

сжигать мелкое топливо и отходы производства, относят циклонные

топки (см. рис.2.8.12).

Рис.2.8.8. Слоевая топка

1- колосниковая решетка; 2 –кислородная зона; 3- восстановительная зона;

4- острое дутье

Согласно схеме топки твердое топливо подается в зону горения

на колосниковую решетку, которая продувается потоком воздуха. В

зависимости от исходного состава топлива и

количества

подаваемо-

го в топку воздуха в слое горящего топлива могут образоваться две

зоны с различным химизмом процесса горения: кислородная (2) и

восстановительная (3). В кислородной зоне, т. е. в зоне с большим

количеством кислорода, про

текают реакции полного окисления уг-

лерода и летучих газов до СО

и Н

О. Если избыток кислорода не-

достаточен для полного горения топлива или происходит плохое

распределение воздуха по объему горящего топлива, то выше ки-

слородной возникает восстановительная зона, т. е. зона образова-

ния продуктов неполного горения топлива (восстановителей) СО и

по реакциям:

СО

+ С = СО

О + С = СО + Н

Для дожигания образовавшегося монооксида углерода (угарного

газа) и водорода поверх горящего слоя подают дополнительное ко-

личество воздуха или острое дутье (4). Острое дутье является вы-

нужденной и недостаточно эффективной мерой, т. к. перемешать

поток холодного воздуха и горячих дымовых газов достаточно

трудно, поэтому в топку подается много больше воздуха, чем не-

обходимо. Кроме того, на сжигание в слоевую топку подается

только крупнокусковое топливо, что позволяет снизить гидравличе-

ское сопротивление слоя и в лучшей степени распределить поток

основного воздуха, снизить вероятность образования "гидродина-

мических дыр" и унос мелких кусков топлива с дымовыми газами.

Поскольку крупные куски горят медленно, то в топку нельзя пода-

вать большое количество топлива, т. к. это может вызвать недожог

топлива. Эти мероприятия приводят к низкой удельной мощности

и большим размерам слоевых топок.