Э = Вн (Qpн / Qу.т.) (1)
Горение топлива. Коэффициент избытка воздуха. Горение топлива - химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха.
Процессы горения разделяют на 2 группы:
) гомогенное горение - горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ+газ");
) 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. Медленное горение - самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. 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.
Время горения топлива складывается из времени протекания физических (tфиз) и химических процессов
(tхим): tгор = tфиз + tхим. (2)
Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем (tсм) и времени, в течении которого топливо - воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (tв):
физ = tсм + tв. (3)
Время горения (tгор) определяется скоростью наиболее медленного процесса.
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 подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения tгор = tхим.
Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом 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;
) воспламенение летучих веществ и их выгорание;
) нагревание кокса до воспламенения;
) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.
Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660 0К, у бурых углей при 690-710 0К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070 0К.
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 в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание 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;
) образование горючей смеси;
) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.);
) собственно горение смеси.
Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по уравнениям горения, которые записывают для 1 кмоля каждой горючей составляющей.
Химические реакции горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид (цифры приведены для ознакомления):
углерода
С + О2 = СО2: 12кг С + 32кг О2 = 44кг СО2; 1кг С + (32/12)кг О2 = (44/12)кг СО2; (4)
водорода
топливо горение теплота
серы
S + O2 = SO2 : 32кг S + 32кг O2 = 64кг SO2;1кг S + 1кг O2 = 2кг SO2; (6).
Для горения 1 кг углерода, водорода и серы необходимо соответственно 8/3, 8 и 1 кг кислорода. В топливе находится Ср/100 кг углерода, Нр/100 кг водорода, Sлр/100 кг летучей серы и Ор/100 кг кислорода. Тогда для горения 1 кг топлива суммарный расход кислорода будет равен:
МоО2 = (8/3Ср + 8Нр + Sлр - Ор ) / 100. (7)
Так как массовая доля кислорода в воздухе равна 0,232, то массовое количество воздуха αопределяется по формуле: Мо = [(8/3Ср + 8Нр + Sлр - Ор ) / 100] · [100/23,2].
Мо = 0,115 Ср + 0,345 Нр + 0,043(Sлр - Ор ). (8)
При нормальных условиях плотность воздуха ρо= 1,293кг/м3. Тогда объемное количество воздуха, необходимого для горения 1кг топлива можно рассчитать по следующей формуле: Vо = Мо /ρо= Мо / 1,293 м3 /кг.
Vо = 0,0889 (Ср + 0,3755Sлр ) + 0,265 Нр - 0,033Ор. (9)
Для газообразного топлива расход необходимого воздуха Vо определяют из объемных долей горючих компонентов газа с использованием реакций: Н2 + 0,5 О2 = Н2О; СО + 0,5 О2 = СО2; Н4 + 2 О2 = СО2 + 2Н2О; Н2S+ 1,5О2 = SО2 + Н2О. Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания газа, определяют по формуле:
Vо = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н2 + 2СН4 + 1,5Н2S + Σ(m + n/4)CmHn - O2]. (10)
Количество воздуха Vо, рассчитываемого по формулам (9) и (10), называется теоретически необходимым. То есть Vо представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1м3) топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород.
В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (воздуха), в результате ухудшается полное горение топлива. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством Vо. Отношение действительного количества воздуха (Vд), подаваемого в топку, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха:
α = Vд / Vо. (11)
При α >1 смесь называется обеднённой (используется в дизельных двигателях), при α < 1 смесь называют обогащённой (частично образуется при сгорании топлива в карбюраторных двигателях, например при езде на малых скоростях). Она сгорает с образованием неполных окислов углерода (СО), азота (NO) и т.п. Эти газы токсичны и опасны для здоровья.
Литература
1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.
. Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.
. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров К.В. 1981г.57.
. Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский В.П.1978г.