Топливо и расчеты его горения

Необходимость проведения расчетов по горению топлива
Большинство современных высокотемпературных технологий связаны со сжиганием топлив, состав и свойства которых оказывают большое влияние на получение качественной продукции и технико–экономических показателей соответствующих технологических процессов.
Проектирование топливных промышленных печей и других тепловых агрегатов начинается с определения характеристик процесса горения топлива–теплоты сгорания топлива, расхода воздуха на горение, количества и состава продуктов горения, а также температур горения топлива. Полученные характеристики топлива являются базовыми для составления тепловых балансов промышленных тепловых установок, оптимизации режимных и конструктивных параметров, выбора и расчета вентиляторов, дымососов и дымовых труб.

Топливо, его виды и основные характеристики
Топливом называют горючее вещество, которое при окислении (горении) выделяет значительное количество теплоты и используется как источник получения энергии.
Оно должно удовлетворять ряду требований.
1.При его сжигании должно выделяться значительное количество теплоты.
2. Запасы топлива должны быть достаточно большими, а добыча его относительно дешевой.
3.Процесс горения топлива должен поддаваться регулированию.
4.Образующиеся продукты горения топлива должны быть газообразными и безвредными для окружающих.

Принципы топливной политики
1. Планомерный рост добычи всех видов топлив.
2. Преимущественное развитие добычи наиболее экономичных видов топлива–нефти и природного газа.
3. Механизация и автоматизация всех процессов добычи и переработки топлива.
4. Рациональное сжигание топлива в промышленных печах и других установках.
5. Проведение режима экономии и использование местных видов топлив без перевозки их на большие расстояния.

Классификация и применение топлив
Классификация различных видов топлива в зависимости от их агрегатного состояния и происхождения приведена в таблице.

Химический состав жидких и твердых видов топлива
Эти топлива представляют собой вещества органического происхождения. Оценка их качества производится по элементарному составу, т.е. по содержанию в них C, H, O, N и S.
Углерод С – основной горючий компонент этих топлив.
Водород Н – второй, наиболее важный горючий элемент топлива.
Кислород О –как элемент топлива относится к балластным составляющим.
Азот N – балласт топлива.
Сера S –третий горючий компонент топлива. Ее наличие в топливе нежелательно, так как продукты сгорания топлива, содержащее сернистые соединения, взаимоденйствуют с расплавляемыми или нагреваемыми металлами и ухудшают их качество.
Зола А и влага W – нежелательная составляющая топлива.

Виды анализов состава жидких и твердых топлив
Различают два вида анализов: технический и элементарный. Первый доступен заводским, а второй– специальным химических лабораториям.
При техническом анализе определяют содержание в топливе влаги W, золы А, серы S, выход летучих Л, запасы теплоты в топливе Q и его специфические свойства: вязкость, температуры застывания, вспышки и т.д. При элементарном определяют содержание в топливе С, Н, О, N и S.

Различные массы жидкого и твердого топлива
Элементарный состав жидкого и твердого видов топлива может быть отнесен к различной его массе.
Органическая масса выражается уравнением:
Co +Ho+Oo+No=100%.
Горючая масса определяет ценность топлива:
Cг +Hг+Oг+Nг+Sг=100%.
Сухая масса – масса топлива, освобожденная от влаги топлива:
Cc +Hc+Oc+Nc+Sc +Ac=100%.
Рабочая масса ( рабочий состав)– масса топлива, в состав которого входят все компоненты, включая золу и влагу:
Cp +Hp+Op+Np+Sp +Ap+Wp=100%.
Теплотехнические расчеты обычно выполняют на рабочую массу топлива. Часто возникает необходимость в пересчете состава одной массы топлива на другую. Для этого используют коэффициенты пересчета.

Коэффициенты для пересчета состава топлива из одной массы в другую

Химический состав газообразных видов топлива
Газообразные виды топлива представляют собой смесь газов: водорода Н2, метана СН4, этилена С2Н4, этана С2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10, пентана С5Н12, тяжелых углеводородов СmНn, оксида углерода СО и сероводорода Н2S.
К негорючим составляющим относят водяной пар Н2О, азот N2, кислород О2, диоксид углерода СО2.

Химический состав газообразного топлива определяют экспериментально с помощью приборов –газоанализаторов в объемных процентах на сухую массу (сухой газ), а влажность газа оценивается по абсолютной влажности ( ), в г/м3. Объемное содержание в газе водяных паров определяют из выражения:
,
где – массовое содержание в газе водяных паров, условно отнесенных к сухому газу, г/м3; 803,6 – масса 1 м3 водяного пара, г/м3.
По известному объему водяных паров вычисляют состав влажного газа по формуле:
хВ.Г=kxС.Г,
где xС.Г и хВ.Г – содержание какой-либо составляющей топлива во влажном и сухом газе, %; k – коэффициент пересчета, равный k=(100−Н2О)/100.

Тепловые характеристики органических видов топлива
Теплота сгорания топлива. Представляет собой количество теплоты Q, кДж, которое выделяется при полном сгорании 1 кг жидкого или твердого топлива или 1 м3 газообразного топлива. Размерность – кДж/кг, кДж/м3.
В зависимости от степени охлаждения продуктов горения и агрегатного состояния в них влаги различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Если продукты горения имеют температуру ниже 100 оС, то находящиеся в них водяные пары сконденсируются и выделят дополнительное количество теплоты. В этом случае получим высшую теплоту сгорания топлива Qв. Если же в продуктах горения влага остается в виде водяного пара, то получим низшую теплоту сгорания QН. Следовательно, разницу между высшей и низшей теплотой сгорания будет определять величина скрытой теплоты парообразования.

Влага в продуктах сгорания топлива образуется при горении водорода HP, а также при испарении начальной влаги топлива WP. При содержании в топливе HP кг водорода образуется при сгорании 9 HP кг влаги. Тогда в продуктах сгорания будет содержаться (9 HP+ WP) кг влаги. При конденсации водяного пара выделяется теплота в количестве 2500 кДж/ кг.
Тогда связь между высшей и низшей теплотой сгорания определится уравнением:
(9 HP+ WP) кДж/кг.

Методы определения теплоты сгорания топлива
Их два: экспериментальный и расчетный.
При экспериментальном методе заданную навеску топлива сжигают в приборах– калориметрах. Выделяющуюся при горении топлива теплоту улавливают водой. Зная массу воды и изменение ее температуры, можно вычислить количество усвоенной теплоты.
Второй метод – расчетный более быстрый, но требует данных элементарного анализа.

Для жидкого и твердого топлива используют формулу Д.И.Менделеева:
=339Cp +1030Hp–109(OР–SР)–25Wp.
Для газообразного топлива формула имеет вид:
= 127СО+108Н2+358СН4+590С2Н4+555С2Н2+
+636С2Н6+913С3Н8+1185С4Н10+1465С5Н12+ +234Н2S кДж/м3.

Условное топливо
Для сравнения показателей тепловой работы тепловых агрегатов, применяющих различные виды топлива, введено понятие условного топлива. В качестве условного топлива рассматривают абстрактное твердое топливо, теплота сгорания которого равна = 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг). Чтобы перевести в условное любое топливо, необходимо его теплоту сгорания разделить на 29310, т.е. найти тепловой эквивалент топлива Эт.
Эт = /29310.
Он отражает способность единицы реального топлива выделять тепловую энергию при полном его сгорании по отношению к условному топливу. Размерность теплового эквивалента для газообразного топлива – кг у.т/м3, а для жидкого и твердого топлив – кг у.т/кг.

Характеристики окислителя. Коэффициент избытка воздуха
Для горения топлива в качестве окислителя используется кислород. Он поступает с атмосферным воздухом, состав которого по объему на сухой воздух в технических расчетах принимают: кислорода– 21% и азота – 79%. Для атмосферного воздуха на одну объемную единицу кислорода, поступающего для горения, вводится К=N2/O2=79/21=3,76 объемных единиц азота.
Теоретический расход воздуха, обозначают – , м3/кг, м3 / м3.
Практический расход воздуха, необходимый для полного горения топлива в реальных условиях всегда превышает теоретический. Его обозначают – , м3/кг, м3 / м3.
Отношение практического расхода воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха.
Для мазута 1,15–1,35, для газа, 1,05–1,15.

РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Расчеты процесса горения топлива
Производят с целью определения теплоты сгорания топлива, расхода воздуха, количества и состава продуктов горения, а также температур горения. Исходные данные для расчетов – вид топлива, конструкция топливосжигающего устройства, влияющая на выбор величины коэффициента избытка воздуха и допустимого недожога топлива, а также температуры подогрева воздуха и топлива.

Аналитический метод расчета процесса горения жидкого и твердого топлива Определение расхода кислорода и воздуха на горение
Полное горение жидких и твердых топлив при использовании сухого атмосферного воздуха предполагает окисление горючих компонентов по следующим реакциям:
Из написанных реакций следует, что на окисление 1 кг углерода, водорода и серы потребуется кислорода:
22,4:12=1,867 м3; 22,4:4=5,6 м3; 22,4:32=0,7 м3.
Здесь 22,4 – объем моля кислорода, м3; 12; 4; 32– cоответственно масса одного моля углерода, двух молей водорода и одного моля серы, кг.

Кислород топлива ОР может участвовать в реакциях окисления. При массе одного моля О2, равной 32 кг, объем 1 кг О2 составит 22,4:32=0,7 м3.
Тогда теоретический расход кислорода для полного сгорания 1 кг жидкого или твердого топлива составит:
м3/кг.
Теоретический расход сухого воздуха можно определить из выражения:
м3/кг.
Если для горения используется влажный воздух, то его объем можно найти из уравнения:
м3,

где – содержание водяного пара, условно отнесенное к сухому воздуху, г/ м3 ; 18– молекулярная масса водяного пара, кг;
1000–переводной коэффициент из кг в г.
Теоретический расход влажного воздуха будет равен:
м3/кг.
В практических условиях, т.е. при ⍺ > 1,0:
расход сухого воздуха
м3/кг,
расход влажного воздуха
м3/кг.

Определение выхода и состава продуктов горения жидкого и твердого топлива
Продукты полного горения жидкого и твердого топлива при состоят из СО2, Н2О, SО2 и N2. Если для распыления мазута применяется пар, то он также перейдет в продукты горения, увеличивая в них содержание водяного пара.
При сгорании 1 кг углерода образуется СО2 в количестве 22,4 : 12=1,867 м3.
м3/кг,
По аналогии при сгорании 1 кг серы образуется SО2 в количестве 22,4 :32=0,7 м3.
м3/кг.

При сгорании 1 кг водорода образуется влаги в количестве 22,4 : 2=11,2 м3.
В топливе содержится WPкг влаги с молекулярной массой 18. Тогда на 1 кг влаги образуется пара 22,4 : 18=1,244 м3.
На распыливание 1 кг мазута расходуется 1,244 м3 пара, а на распыливание 100 кг мазута – Wрасп кг.
Если в воздухе содержится г/м3 пара, то количество влаги, вносимое с воздухом составит:
м3/кг.
Общий объем водяных паров в продуктах полного сгорания будет равен:
м3/кг.

Объем азота в продуктах сгорания складывается из азота, содержащегося в топливе (NР) и азота поступающего с атмосферным воздухом.
1 кг азота соответствует его объем 22,4 :28=0,8 м3. Количество азота воздуха составит 0,79 .
Тогда
м3/кг.
Суммарный объем продуктов полного сгорания будет равен:
Объем влажных продуктов сгорания при ⍺ > 1,0 увеличится в результате дополнительного введения избыточного кислорода, азота и водяного пара.

м3/кг.
м3/кг.
м3/кг.
Тогда
м3/кг.

Аналитический метод расчета процесса горения газообразного топлива
Определение расхода кислорода и воздуха на горение
Состав влажного газа может быть в общем случае представлен следующим образом:
Реакции полного горения газа этого состава могут быть представлены уравнениями:

В данном случае удобнее воспользоваться объемным соотношением горючего и кислорода.
Тогда теоретически необходимый объем кислорода для полного горения единицы газообразного топлива (⍺=1,0) определится уравнением:
м3 / м3.
Теоретические расходы сухого и влажного воздуха при
⍺ = 1,0, а также их расходы в практических условиях при ⍺ > 1,0 могут быть определены по тем же формулам, что и для жидкого и твердого топлива.

Определение выхода и состава продуктов горения газообразного топлива
Выход продуктов горения V0 представляет собой сумму оксидов CO2, SO2, водяного пара –H2O. Азот поступает в продукты горения вместе с кислородом воздуха, а также и как компонент газообразного топлива.

Состав продуктов горения для этих условий (⍺ = 1,0) будет следующим:
Для практических условий горения при ⍺ >1,0 V⍺ возрастет лишь на величину объема избыточного влажного воздуха, при этом объемы CO2 и SO2 сохраняются неизменными.

Состав продуктов горения для ⍺ > 1,0 можно определить по формуле:
где i относится к тому или иному компоненту продуктов горения.

Приближенный метод расчета процесса горения топлива
Часто при решении инженерных задач не требуется особой точности и всех тех данных, которые обеспечиваются аналитическими расчетами процесса горения топлива, а достаточно знать величины V⍺, L⍺ и tгор. Из большого количества формул для определения величин L0, ΔV и V⍺ наибольшее практическое применение нашли формулы С.Г. Тройба:
Здесь
- поправочные коэффициенты.

Значения поправочных коэффициентов для расчета L0 и ΔV

Расчет температур горения топлива
Производится на основе анализа и решения уравнения теплового баланса процесса горения топлива, который протекает в какой – либо топке или тепловом агрегате. Уравнение теплового баланса включает две части – приходную и расходную и имеет вид.
Размерность слагаемых в уравнении кДж/м3 или кДж/кг в зависимости от вида топлива.
Приходная часть теплового баланса:
– тепловая энергия химического горения топлива;
– тепловая энергия подогретого воздуха, определяется
из выражения

– тепловая энергия подогретого топлива, равная
– тепловая энергия, вносимая подогретыми материалами и теплота экзотермических реакций.
Расходная часть теплового баланса:
– тепловая энергия, затраченная на нагрев, плавление материалов;
– энергия отходящих продуктов горения, определяемая из уравнения
– потери тепловой энергии от химической неполноты горения; принимают для мазута и газов равной 2% от ;
– потери тепловой энергии от механической неполноты горения;
– потери тепловой энергии в окружающую среду;

– потери тепловой энергии на разогрев кладки рабочего пространства теплового агрегата;
– невязка теплового баланса.
Принимаем
Тогда можно записать:
Величину теплосодержания C2t2 обозначают iобщ и используют для отыскания температур горения.

Если учитывается только теплота диссоциации продуктов горения при температуре горения, т.е.
то такую температуру называют теоретической температурой горения.
Теплосодержание продуктов горения в этом случае равно:
Температура, определяемая условиями горения при подогреве воздуха и топлива с учетом химического и механического недожога, названа балансовой температурой горения:

Тогда
Для отыскания теоретических и балансовых температур процесса горения определяют теплосодержание 1 м3 продуктов горения или

Затем по i–t – диаграммам С.Г. Тройба находят
и
предварительно определив параметр:
Необходимые для расчетов по горению топлив данные по теплоемкостям и варианты заданий для студентов приведены ниже.

Средняя теплоемкость газообразных видов топлива, воздуха и продуктов сгорания
Примечание: П–природный, К–коксовый, Д-доменный газы;
В– воздух, ПС–продукты сгорания
Таблица

Таблица
Исходные данные для расчетов горения топлива