книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

Стадии горения предшествует стадия зажигания топлива, связанная с его прогревом. Эта стадия не нуждается в кислороде и во время ее про­

текания топливо само является потребителем тепла. Чем быстрее повы­ шается температура топлива, тем интенсивнее протекает зажигание. Очевидно, факторами, затягивающими зажигание, являются: большая влажность топлива, повышенная температура воспламенения, неболь­ шая тепловоспринимающая поверхность топлива, низкая начальная тем­ пература топлива и подача в топку не подогретого предварительно воз­ духа.

Сгорание углерода в слое

Углерод в первоначальном виде как бы не усваивается в очаге горения и его окисление сопровождается газификационным процес­ сом. Процесс сгорания углерода, как уже было сказано [см. форму­ лы (17-1) и (17-2)], протекает по следующим первичным реакциям:

с+о2=со2,

2С+02=2С0.

Многочисленными опытами доказано; что углекислота СОг и окись углерода СО образуется одновременно. Количественное соотношение СО и С02 зависит от режимных условий. Так, при температуре до 1300°С отношение С0:С02=1, а при повышении температуры оно уве­ личивается.

Почти всегда при горении углерода, кроме первичных реакций, протекают и вторичные:

Из написанных выше реакций три являются гетерогенными, а по­ следняя— гомогенной.

Скорость гетерогенной реакции измеряется количеством углерода (в граммах), сгоревшего за 1 сек на 1 см2 активной поверхности топ­ лива— Кб г/(см2-сек). Эта скорость, помимо температуры, давления

иконцентрации реагирующих веществ, зависит от скорости, диффузии

ктопливу окислителя. Естественно предположить, что вблизи поверх­

ности топлива (в пограничном слое) концентрация реагирующих ве­ ществ уменьшается, а концентрация продуктов реакции (СО и С02)

реакции определяется тем, какая из составляющих процессов—диффу­ зия или собственно реакция— является лимитирующей.

238

Глубина газификации кокса зависит от природных свойств кокса, особенно от его пористости, размера частиц, температурного и аэроди­ намического режимов (скорости потока воздуха), а также от толщины

слоя.

Газообразными продуктами, образующимися в результате горения

и для их дожигания иногда применяют «острое» дутье, под которым по­ нимают подачу воздуха в виде ряда струй, пересекающих с большой

скоростью поток газов.

Когда кокс сжигают в более толстом слое, получается значитель­ ное количество продуктов газификации (СО и Нг). Применение вторич­ ного дутья, т. е. дополнительной подачи воздуха непосредственно в то-, почное пространство, в этом случае обязательно. Помимо газообраз­ ных продуктов, из слоя топлива выносятся топливная пыль и мелочь (унос). Углеводородные газы, как было сказано выше, при значитель? ных температурах существовать не могут; они разлагаются на более простые соединения и при этом выделяется сажистыйуглерод.

В газогенераторах глубину газификации доводят до максимума, обеспечивая максимальную для данного топлива толщину слоя. Полу­ ченный генераторный газ после очистки от пыли,-смолы и других про­ дуктов сжигают в печах, пользуясь газовыми горелками, к которым подводят необходимый для сгорания газа воздух. Таким образом, как уже говорилось, природа горения и газификаций топлива одинаковы. Эти процессы тесно связаны друг с другом.

Процесс сгорания топлива во взвешенном состоянии

Сжигание топлива, взвешенного в газо-воздушном потоке, позво­ ляет наиболее полно механизировать топочный процесс.

Описанные выше процессы горения распространяются и на рас­ сматриваемый случай. Частичка топлива, выносимая газо-воздушным

потоком и движущаяся с ним в раскаленном топочном пространстве, быстро разгорается и из нее бурно, выделяются летучие вещества (рис. 17-18), сгорающие в топочном объеме. Процесс горения условно

разбивается на две стадии: подогрев смеси воздуха и пыли до темпе­ ратуры воспламенения (с одновременным пирогенетическим разложе­ нием топлива) и собственно процесс горения летучих и кокса. На по­ верхности частицы одновременно горит и газифицируется кокс (угле­ род). Скорость прогрева и окисления кокса зависит от удельной по­ верхности взвешенного топлива, которая очень велика. Так, удельная поверхность угля при диаметре частиц ^=30 мкм составляет 50 м21кг, что в 1000 раз превышает удельную поверхность кускового угля (от­ дельные куски диаметром 30 мм).

Время горения частиц зависит от следующих факторов: размера ча­ стиц (чем меньше размер зерен, тем меньше время сгорания); качест­ ва смесеобразования топлива с воздухом (чем лучше перемешиванйб;-

тем больше скорость выгорания); температуры топочного пространства (чем выше температура, тем устойчивее и интенсивнее протекает про­ цесс); свойств топлива и в первую очередь от выхода летучих веществ- (в процентах на горючую массу; чем больше летучих, тем быстрее сго­ рает топливо). Время сгорания пропорционально отношению (100—УГ)1100 и относительной скорости обдувания до0Эта скорость значительно меньше скорости потока, М10<а'п. Ничтожная относйТёль-

240

ная скорость потока является недостатком, так как подача окислителя к горящим частицам происходит главным образом,в результате диффу­

зии газа, т. е. физического процесса. Несмотря на малую скорость по­ верхностного реагирования, суммарная скорость (благодаря очень боль шой удельной поверхноститоплива), измеряемая тепловым напряженней

сравнения можно указать, что в слоевых топках величина объемного напряжения составляет 230—350 квт/м3.

В ядре факела топок, в которых топливо сжигается в виде пыли (порошка), развиваются очень высокие температуры, доходящие до 1600—1700°С, а потому большую роль играют газифицированные про­ цессы, протекающие по реакциям

СОа+С->2СО и С+НаО->СО+На.

Часто окислительные процессы, связанные с подводом кислорода воздуха, протекают в основном в начальных участках факела.

Глава 18 РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Расчеты горения топлива выполняют при проектировании устано­ вок и контроле действующих установок. Во втором случае некоторые ве­

личины бывают известны из показаний приборов (например, объемный состав продуктов сгорания) и поэтому методика расчета отличается от

первого случая.

Рассмотрим сначала методику расчета, применяемую при проекти­ ровании. При расчете горения определяют:

1) теоретический расход воздуха У0, необходимого для сгорания единицы количества топлива (1 кг для жидкого и твердого топлива и 1м3 для газообразного), и действительный расход воздуха Гп, м3/кг

или м3/мг\

2)объем продуктов сгорания'(дымовых газов) Гг, м3/кг или м3/м3;

3)состав продуктов сгорания в процентах по объему и парциальные давления трехатомных газов, требующиеся при расчете теплообмена (газового излучения) при заданном коэффициенте избытка воздуха;

4)энтальпию дымовых газов при требующихся температурах и из­ бытках воздуха

/Р= / ((%а) кдж/кг или кдж/м3

'(ца полученным данным строят диаграмму 1 —1 продуктов сгорания топлива);

241

5) калориметрическую и теоретическую температуры сгорания

топлива.

Исходныеданные по топливу (элементарный его состав и др.) берут на основании лабораторных анализов, а если точные анализы отсутству­ ют,— из справочных таблиц по топливу, примером которых является табл. 16-3. Состав твердого и жидкого топлив задается в процентах по массе, а газообразного— в процентах по объему. В общем случае для газообразноготоплива за 100% принимаютсумму

Для упрощения расчета количество серы, содержащейся в твердом или жидком топливе, присоединяют к количеству углерода. Определяе­

мое таким способом расчетное количествоуглерода будет равно

Расчетное количество углерода К?, выраженное в процентах и на­ зываемое приведенным количеством углерода., определяют по формуле

Низшую теплоту сгорания твердого и жидкого топлив проверяют по элементарномусоставурабочей массы, пользуясьформулойД.'Н.Мен­ делеева (16-7).

Низшую теплоту сгорания 1м3 газообразного топлива определяют по формуле (16-11).

РАСЧЕТЫПОЛНОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Объем воздуха, затрачиваемого на сгорание топлива, и газов, об­ разующихся врезультате горения, обычноотносятусловнок нормальным условиям (0°С и 101,3 кн1м2). Для полного сгорания топлива требует­ ся некоторый избыток воздуха против теоретического расхода. Его мож­ но выразить следующей формулой

Этот избыток воздуха, характеризуемый так называемым коэффициен­ том избытка воздуха а, зависит от способа зажигания топлива, качества смешения топлива с воздухом и ряда других факторов.

Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение дей­ ствительно затрачиваемого объема воздуха (Кв) к теоретически опреде­ ленному его объему (V0), т.е.

(18-5)

При полном сгорании топлива а>1, а при газификации топлива а*<1. Из уравнения (18-5) следует, что действительный расход воздуха

определяется выражением

242

глощения окисиуглерода СО. Охлажденная проба газов забирается в бюретку 9 при помощи склянки 11 с подкисленной водой, затем несколь­ ко раз прогоняется через сосуд 7, после чего определяется содержание поглощенной углекислоты С02 по делениям бюретки (при обязательном соблюдении одинаковости уровня жидкости в бюретке и склянке 11). Затем последовательно определяют содержание 02 и СО.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫСГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Различают калориметрическую, теоретическую и-.действительную температуры сгорания топлива.

Калориметрической называют температуру, до которой нагрелись бы продукты полного сгорания, если бы все тепло топлива и воздуха пошло на нагревание газов. Для этого случая тепловой баланс выра­ жается следующим образом:

Калориметрическую температуру сгорания находят методом после­ довательного приближения (путем подбора), так как входящие в знаменатель средние теплоемкости яв,-

245