Определение параметров для эффективного горения малосернистого мазута

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение параметров для эффективного горения малосернистого мазута

Продукты сгорания оказывают определяющее влияние на энергетические и экономические показатели различных теплотехнических установок. Однако помимо этих продуктов при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники.

В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы. Токсичными являются вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота NO, оксид углерода СО, различные углеводороды СН, сажа и соединения, содержащие свинец и серу.

Промышленные виды топлива горят в результате химических реакций окисления их горючей части кислородом воздуха. Из-за большого объема горящего топлива, невозможно рассматривать горение единичной жидкой капли [6]. Поэтому первой задачей расчета горения является определение расхода воздуха на горение топлива. Затем определяют количество и состав продуктов горения - дымовых газов, образующихся в результате горения топлива, и, наконец, находят температуру дымовых газов.

Первый этап этих расчетов - определение расхода кислорода. Расход кислорода рассчитывают исходя из стехиометрических соотношений реакций окисления отдельных компонентов горючей части топлива, их атомных и молекулярных масс, где для жидкого топлива эти расчеты ведут по соотношениям массы веществ. Отношение действительного расхода воздуха G_д к теоретическому G_т называют коэффициентом избытка воздуха и обозначают буквой :

мазут теплотехнический малосернистый

Значение зависит от вида топлива и степени совершенства топочного устройства. Наибольшая полнота смешения с воздухом достигается у газового топлива. Поэтому его можно сжечь с минимальным избытком воздуха: = 1,05…1,1. Мазут при сжигании распыляют специальными форсунками, что обеспечивает образование развитой поверхности взаимодействия диспергированных капель мазута с воздухом. Однако даже в тонкодиспергированном мазуте не удается достичь идеального (молекулярного) смешения его капель с воздухом. Поэтому для сжигания мазута требуется повышенный избыток воздуха: = 1,1…1,2. Несколько больший избыток воздуха необходим при сжигании пылевидного топлива - = 1,2…1,25. Наименее развитая поверхность взаимодействия с воздухом образуется при сжигании твердого кускового топлива. Поэтому здесь избытки воздуха значительны: = 1,4…1,8.

Далее при расчете горения топлива определяют количество и состав дымовых газов, образующихся в результате этого процесса. Они также получаются из стехиометрических соотношений реакций взаимодействия горючих составных частей топлива с кислородом воздуха с учетом закона равенства массы реагирующих веществ и продуктов реакции. В составе и количестве дымовых газов, естественно, учитывается (к продуктам реакции плюсуются) избыточный кислород, весь азот и влага, вовлеченная с воздухом.

Третьим этапом расчета горения является определение температуры горения топлива и требуемого избытка воздуха. Различают теоретическую (калориметрическую) и практическую температуры горения топлива. Максимальная калориметрическая температура развивается при сжигании топлива с =1.

В большинстве случаев топливо не сгорает до полной степени окисления его горючих составных частей - в дымовых газах наряду с CO₂ и H₂O появляются продукты неполного сгорания CO и H₂ с соответствующим понижением тепловых эффектов процесса горения. Вследствие этого появляются потери тепла от химического недожога топлива. Затем часть тепла теряется через ограждающие конструкции топочного устройства.

Кроме потерь тепла, часть его передается нагреваемому материалу непосредственно так называемой прямой отдачей, т.е. излучением, минуя нагрев дымовых газов, температура которых и по этой причине не может превосходить температуры горения всегда ниже калориметрической (теоретической). Факторы, которые обусловливают снижение теоретической температуры горения топлива при его сжигании в котельных и промышленных тепловых установках, учитывают калориметрическим коэффициентом .

Для топок паровых котлов в зависимости от степени экранирования поверхности нагрева котла колеблется в пределах 0,15…0,5.

Калориметрическую температуру горения топлива с приемлемой для инженерных расчетов точностью определяют из уравнения теплового баланса горения 1кг твердого или жидкого топлива:

где Q^р_н- низшая теплотворность топлива, кДж/кг; V^о_в-теоретический расход воздуха на горение1кг топлива, м³/кг; C_в - теплоемкость воздуха, C_в=1,3 кДж/м³ C; t_в - температура воздуха, поступающего на горение топлива, C; t_т- температура топлива, поступающего на горение; C_т- теплоемкость топлива; V^о_д- теоретическое количество продуктов горения от сжигания 1кг топлива, нм³/кг; C_д - теплоемкость дымовых газов. Для проектных расчетов допустимо пользоваться приближенными формулами:

)

где tд-температура продуктов горения (дымовые газы), C [4].

Практически подогревают перед сжиганием только мазут. Твердое топливо и природный газ не подогревают и, следовательно, в этих случаях величиной Cт· tт можно пренебречь. Если уравнением (3) пользуются для определения калориметрической температуры горения топлива tк, то поскольку от tк зависит и Cд, это уравнение решают методом последовательного приближения.

Уравнением (3) можно воспользоваться для двух целей: если по условию задания известна требуемая практическая температура в печи t_п, то предварительно рассчитав по уравнению (2) калориметрическую температуру t_к, определяют затем по уравнению (3) необходимый избыток воздуха, решая уравнение (3) относительно . Если же, наоборот, заданной величиной является коэффициент избытка воздуха , обусловленный видом топлива и типом топочного устройства, то из уравнений (2), (3) определяют возможную температуру пламени t_п. Уравнение (3) указывает также возможные пути повышения калориметрической температуры t_к. Это снижение избытка воздуха и подогрев воздуха, используемого на горение топлива, а также подогрев жидкого топлива. Уравнение (3) показывает, что повышение практической температуры горения достижимо, прежде всего, за счет снижения тепловых потерь.

Приведем расчет горения малосернистого мазута, сжигаемого в выносной топке

В качестве исходных данных возьмем:

1.Состав мазута по справочным данным на рабочую массу (%):

C^P=85,3; H^P=10,2; N^P=0,3; O^P=0,4; S^P=0,5;W^P=3; А^Р=0,3.

2.Влагосодержание воздуха, согласно климатологическим таблицам и H-d диаграмме, d=10г на 1кг сухого воздуха.

3.Требуемая практическая температура горения t_п=1050 С (1323 К).

Целью работы является определить влагосодержание, энтальпию дымовых газов и расход воздуха на горение топлива.

Расчет ведем по стехиометрическим соотношениям химических уравнений реакций окисления горючих составных частей топлива [1]. Результаты расчета приведены в таблице 1, 2 столбец строки 1-7. Для упрощения расчет будем вести для 100 кг топлива. В этом случае количество отдельных составных частей топлива в 100 кг будет численно равно процентным соотношениям его состава. Плотности продуктов горения являются справочными величинами. Числа столбца 5 (строка 8) суммируют с учетом минусового знака у кислорода топлива (строка 5, столбец 5), так как кислород, содержащийся в составе топлива, участвует в окислении горючих частей последнего. Поэтому на величину кислорода, содержащегося в составе топлива, уменьшается количество кислорода, вовлекаемого из атмосферного воздуха в процесс горения. Азот и влага являются негорючими веществами. Поэтому они без изменения количества (влага в виде водяных паров) переходят в состав дымовых газов, что условно обозначено стрелками в столбец 3 (строки 4 и 7). Отношение 77:23 в строке 9 соответствует процентному содержанию азота и кислорода в атмосферном воздухе по массе. Множитель 0,001 в строке 10 соответствует переводу граммов в килограммы.

Итог, подсчитанный в строке 11, определяет количество продуктов горения (столбец 18, 19) и расход воздуха (столбец 20, 21) при теоретическом количестве воздуха, без его избытка (=1), когда весь кислород участвует в реакциях процесса горения. Практически для повышения степени химической полноты горения в процесс вводят некоторое избыточное количество воздуха, характеризуемое коэффициентом избытка воздуха. Его значения рассчитывают из теплового баланса процесса горения 1кг топлива, имея в виду необходимость достижения требуемой практической температуры горения топлива.

Используем уравнение теплового баланса (3) для процесса горения 1кг топлива:

где для мазута по справочным данным = 41 450 кДж/кг);=1358,9:100=13,59кг/кг(по табл. 1, столбец 20, строка 11); С_в=1,005 кДж/(кг С); температуру воздуха, принимаем t_в=100С (при сжигании мазута воздух обязательно подогревают до100…150 С. При сжигании топлива в печах также часто используют подогретый воздух из зоны остывания печей); температуру топлива, принимаем t_т=100 С (мазут подогревают до 80…100 С для обеспечения необходимой дисперсности капель); С_т- теплоемкость топлива (мазута) определяют по формуле:

, кДж/(кг;

кДж/(кг;

теоретическое количество продуктов горения 1кг топлива.

Согласно расчету горения 1458,58:100=14,6 кг на 1 кг топлива (табл. 1, столбец 18, строка 11); t_к - калориметрическая температура горения, . Её находят по формуле:

,

где t_п - требуемая практическая температура горения, назначаемая по условиям технологии. Для нашего расчета t_п=1050 С;- калориметрический коэффициент процесса горения (коэффициент прямой отдачи). Для топочных устройств можно принимать =0,9.

Тогда:

С_д-теплоемкость продуктов горения по массе (дымовых газов).Она может быть подсчитана как средневзвешенная теплоемкость газовой смеси по известным формулам термодинамики.

Для проектных расчетов допустимо также пользоваться приближен-ной формулой теплоемкости дымовых газов по массе (кДж/(кг С)):

,

Принимая в нашем случае t_к=t_д=1170 С, получаем:

.

Из уравнения (6) находим:

(10)

При этом избытке воздуха продолжим расчет горения топлива (табл. 1, строки 12-15) [1].

Если дымовые газы предназначены для использования в качестве теплоносителя в сушилке, то возникает необходимость дополнительно определить их влагосодержание d_д и энтальпию I_д. Вычисляем влагосодержание дымовых газов:

где- масса водяных паров в дымовых газах, отнесенная на 1кг топлива; в нашем случае она равна 1,257кг (табл. 1, столбец 10, строка 15);масса сухих дымовых газов от сжигания 1кг топлива;

В нашем случае .

Тогда, на 1 кг сухих газов.

Энтальпию продуктов горения, отнесенную к 1кг сухих дымовых газов, определяют по формуле:

м³/м³,

Тогда, сухих газов.

По значениям d_д и H_д находят на H - d диаграмме точку, соответствующую состоянию дымовых газов [5].

Приведённая методика позволяет определить параметры, необходимая для горения топлива.

Литература

1. Михайловский В. П., Мартемьянова Э. Н., Ушаков В. В. Расчеты горения топлив, температурных полей и тепловых установок технологии бетонных и железобетонных изделий. Учебное пособие, - 2011. 264 - с.

2. Гущин С. Н. Расчеты горения топлив. - Книга. ---1995.48 - с.

3. Равич М. Б. Эффективность использования топлива. - Книга. -1977. 344 - с.

4. Зельдович Я. Б., Бернблатт Г. И., Либрович В. Б. Математическая теория горения и взрыва. - Книга. -1980. 478 - с.

5. Колесников Т. М., Попов В.М., Кукин П.П., Протасов В. В., Северенчук П. Н., Шульга Л. В., Юшин В. В. Теория горения и взрыва. Учебное пособие для бакалавра. -2015. 435 - с.

6. Кочнева О.С., Павлов Г.И., Сахабутдинов Ж.М. Экспериментально-теоретические исследования нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубе// Вестник казанского технологического университета, 2007, №3, с. 137?143.

Приложение

Таблица 1. Расчет горения малосернистого мазута (на 100 кг)

Размещено на Allbest.ru