книги из ГПНТБ / Грузберг, Я. Ю. Судовые парогенераторы учебник

РАЗДЕЛ

ТЕОРИЯ С У Д О В Ы Х ВТОРОЙ П А Р О ГЕ Н Е Р А ТО Р О В

Глава VII

ТОПЛИВО И ЕГО ГОРЕНИЕ

§ 24. Основные характеристики топлива

Топливом называют различные естественные и искусственные ве­ щества, при сжигании которых выделяется большое количество тепла и которые технически целесообразно и экономически выгодно исполь­ зовать для получения тепловой энергии. Для характеристики топлива пользуются элементарным его составом, дающим процентное содержа­ ние отдельных элементов — углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N и серы S в 1 кг топлива. Кроме того, топливо может содержать золу А и влагу W. Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Углерод С — основная составляющая топлива. При сгорании 1 кг углерода выделяется 33,9 МДж тепла. Водород Н — весьма активный горючий элемент топлива выделяет при сгорании в четыре с лишним раза больше тепла, чем углерод. Сера S в тепловом отношении представляет собой малоэффективный горючий элемент и при горении выделяет в три с лишним раза меньше тепла, чем углерод.

Различают три основные так называемые массы топлива:

рабочую массу, характеризующую состав топлива в том виде, в ка­

горючую массу, освобожденную от золы и влаги, т. е. безводно­

Применительно к жидкому топливу используют только два поня­ тия рабочей и горючей массы. Горючая масса дает наиболее правиль­ ное суждение о топливе как о горючем. В основу современных стан­ дартов на топливо положена горючая масса. Все тепловые расчеты по топливу ведутся на рабочую массу.

88

Для пересчета элементарного состава топлива горючей массы на рабочую служат соотношения:

Ср + Нр + Sp + Np + Op + Ap + Wp = 84,7 +

+ 10,84 + 0,58 + 0,29 + 0,39 + 0,2 + 3 ,0 = 100%.

Важнейшей характеристикой топлива, определяющей его тепло­ вую ценность, является его теплота сгорания, или теплопроизводи­ тельность, под которой понимают количество теплоты, которое выде­ ляется при полном сгорании 1 кг топлива. Теплоту сгорания выражают в килоджоулях, приходящихся на 1 кг топлива (кДж/кг). Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания Qp называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива с последующим ох­ лаждением продуктов сгорания до температуры конденсации.

Низшей теплотой сгорания Qh называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива без использования теплоты конденсации паров. Теплота этих паров теряется с уходящими газами.

Согласно определению можно записать зависимость между низшей и высшей теплотой сгорания топлива:

где 2500-ІО3 Дж/кг — теплота образования 1 кг водяного пара.

89

Т а б л и ц а 1

Технические характеристики основных видов натурального топлива

Мазуты

Угли

Теплоту сгорания топлива наиболее точно определяют в лаборато­ рии путем сжигания навески пробы топлива в специальном аппарате— калориметре. Теплоту сгорания можно определить и расчетным пу­ тем, если известен элементарный состав топлива, по формуле великого русского ученого Д. И. Менделеева:

где Ср, Нр, Ор, Sp, Wp — составляющие рабочего топлива, %. Ко­

эффициенты при Ср, Нр и S£ представляют собой количество теплоты, выделяющееся соответственно при сжигании 1 кг углерода С, водо­ рода Н и серы S. Последний член зависимости (11) представляет со­ бой затрату тепла на испарение воды.

90

Подставив значения элементарного состава в формулу (11), получим:

qp = 339-84,7+ 1255-10,84— 109 (0,39 —0,58) —

—25(9-10,84 + 3) = 39780-ІО3 Дж/кг.

Расчетные характеристики топлива СССР разработаны Всесоюз­ ным теплотехническим институтом. В табл. 1 приведены характери­ стики основных видов топлив, используемых в судовых парогенера­ торах.

В современных судовых парогенераторных установках в качестве топлива используют главным образом мазут.

Качество мазута определяется рядом физико-химических показа­ телей, основными из которых являются: вязкость, плотность, темпе­ ратура вспышки, температура воспламенения, температура застыва­ ния, содержание воды, серы и золы.

Вязкость мазута является одним из основных показателей мазута, определяющих его текучесть и качество распыливания. Измеряется вязкость прибором — вискозиметром в условных градусах (°ВУ) или градусах Энглера (°Е). Условную вязкость характеризует отвлечен­ ное число, показывающее отношение времени истечения 200 мл испы­ тываемого нефтепродукта при данной температуре ко времени исте­

мазут подогревают до температуры 80— 110° С в зависимости от его марки с таким расчетом, чтобы вязкость перед форсунками не превы­ шала 4,5—5,0° ВУ. Для перекачки мазута достаточно подогреть его до 40—50° С.

Плотность определяет массовое количество топлива в цистернах и составляет 0,88—0,99 г/см3.

Температура вспышки характеризует такое тепловое состояние мазута, при котором выделяющиеся из него пары способны воспла­ мениться при наличии воздуха и искры. Температура вспышки мазута, используемого в судовых установках, должна быть не ниже 90° С.

Температурой воспламенения называют такую температуру, при которой топливо после вспышки горит не менее 5 с. Температура вос­ пламенения выше температуры вспышки на 15—20° С.

Температурой застывания называют такую температуру жидко­ сти, при которой ее поверхность в пробирке, наклоненной на 45°, не возвращается в горизонтальное положение в течение 1 мин. С уве­ личением вязкости температура застывания растет. Она меняется в пределах от —8 до +15° С. На судах применяют мазут с темпера­ турой застывания не выше —5° С.

Содержание серы в жидком топливе нормируется и является не­ желательным. По содержанию серы все мазуты принято разделять на малосернистые (не более 0,5% серы), сернистые (0,5—1% серы) и высокосернистые (свыше 1% серы). Содержание серы в мазуте для судовых парогенераторов должно быть не более 3,5%.

Зольность характеризует содержание в мазуте минеральных при­

91

золы расходуется тепло. Основными элементами, составляющими золу, являются кремнезем S i0 2, глинозем А120 3, окислы железа FeO, Fe20 3, Fe30 4 и известь CaO. Зольность не должна превышать 0,3%.

Прием и хранение топлива на судах производится в строгом соот­ ветствии с Правилами технической эксплуатации.

§ 25. Горение топлива

Полное и неполное горение. Горение есть процесс достаточно бы­ строго химического соединения кислорода воздуха с горючими эле­ ментами топлива, сопровождающийся интенсивным выделением тепла. Количество тепла, выделяющегося при горении топлива, подсчиты­ вается на основании закона русского химика Г. И. Гесса.

Горение топлива может быть полным, при котором образуются конечные продукты сгорания, и неполным, когда, образуются проме­ жуточные продукты сгорания.

Конечными продуктами сгорания называются такие продукты,

которые больше не способны участвовать в окислительном процессе. К ним относятся углекислота С 02, водяные пары Н 20 и сернистый ангидрид S 0 2.

Промежуточными продуктами сгорания называются такие про­ дукты, которые при определенных условиях способны участвовать в процессе горения и выделять тепло. К ним относятся СО, СН4, Н 2 и различные углеводороды. Обычно показателем неполного горения является окись углерода СО.

Основные уравнения горения топлива. При горении топлива обычно имеет место химический недожог, однако, учитывая его незначитель­ ность и слабое влияние на состав, объем и теплоемкость продуктов горения, при расчетах пользуются формулами для условий полного окисления топлива. На основании закона Гесса можно ограничиться рассмотрением конечных реакций горения, что значительно упростит

92

Расчетная реакция горения водорода:

Приведенные соотношения являются приближенными, так они основаны на предположении, что для всех газов объем одного моля

при 0° С и 0,1 МН/м2 (760 мм. рт. ст) равен 22,4 м3. И хотя это спра­ ведливо только для идеальных газов, получающаяся ошибка не ока­ зывает существенного влияния на практические расчеты.

Количество воздуха, необходимое для горения. По заданному со­

держанию горючих элементов топлива Ср, Нр, Sp и кислорода Ср, а также на основании приведенных выше соотношений процесса горе­ ния можно теоретически найти расход кислорода, необходимый для сжигания 1 кг топлива:

100

В воздухе содержится 23,2% кислорода и 76,8% азота (по массе) или 21% кислорода и 79% азота (по объему). Массовое количество сухого воздуха, теоретически необходимого для сжигания 1 кг топ­ лива, будет равно

Объем теоретического количества воздуха можно найти, если учесть, что плотность сухого воздуха при 0° С и 0,1 МН/м2’ равна

1,293 кг/м3:

г сух

ѴЪух = -2— м3/кг.

1,293

93

Подставив значения Üq х, получим

Атмосферный воздух, поступающий в топку, содержит некоторое количество влаги. Влагосодержание воздуха обычно принимают рав­ ным 8— 12 г/кг. Объем водяных паров в воздухе, теоретически необ­ ходимый для полного сгорания 1 кг топлива, составляет

1,293Pgyx d

0,804

где d — влагосодержание воздуха, г/кг; 0,804 — плотность водяных паров, кг/м3; 0,001 — коэффициент перевода d, кг/кг. Окончательный вид выражения:

Объем теоретического количества влажного воздуха при нормаль­

Количество воздуха, подсчитанное по формуле (19), которое не­ обходимо подать в топку, чтобы получить полное сгорание топлива при использовании всего кислорода воздуха, называется теорети­ чески необходимым количеством воздуха.

Практически невозможно обеспечить равномерную подачу воздуха ко всем участкам слоя топлива или топочного пространства. Чтобы избежать последнего и получить полное сгорание топлива, приходится подавать в топку несколько больше теоретически необходимого ко­ личества воздуха или, как говорят, работать (вести топочный процесс) с некоторым избытком воздуха.

Количество воздуха, подаваемое в действительности в топку на 1 кг сжигаемого топлива, называется действительным количеством воздуха.

Коэффициент избытка воздуха. Отношение действительно посту­ пившего в топку количества воздуха к теоретическому называют ко­ эффициентом избытка воздуха и обозначают через ос:

увл

а= - ^ - .

кл

Коэффициент избытка воздуха зависит от рода топлива, способа его сжигания, конструкции топочного устройства и является важной характеристикой работы топки и всей установки. Чем с меньшим из­ бытком воздуха удается работать, обеспечивая полное сгорание топ­ лива, тем лучше, так как избыточный воздух увеличивает потерю тепла с уходящими газами. Поэтому при проектировании и эксплуа-

94

тадии топочных устройств необходимо всегда стремиться к уменьше­ нию а. путем применения наиболее совершенных конструкций и пра­ вильного ведения процесса горения. Величину а при проектировании

где 1,25 кг/м3 — плотность азота при нормальных условиях.

Объем водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания 1 кг

95

Определение объема продуктов сгорания по анализу дымовых га­ зов. Состав газов можно определить специальным аппаратом-газоана­ лизатором. В парогенераторных установках применяют два типа га­ зоанализаторов: химические и электрические.

При наладке и испытаниях парогенераторов широко пользуются химическими газоанализаторами переносного типа системы Орса (рис. 60). Прибор состоит из трех поглотительных сосудов 5, 6, 7, измерительной бюретки 4, соединительной гребенки 2, напорного со­ суда 3, трехходового крана 1, резиновой груши — насоса 8 и филь­ тра 9. Напорный сосуд на две трети заполнен водой, слегка щелочной или подкисленной. При подъеме или опускании напорного сосуда уро­

вень воды в измерительной бюретке повышается или понижается; этим создается в системе газоанализатора попеременно давление и раз­ режение, обусловливающее перекачивание газа по всей системе газо­ анализатора путем вытеснения газа из бюретки и засасывания его в бюретку.

Поглотительный сосуд 5 заполняют раствором едкого калия (для поглощения углекислого газа), сосуд 6 — раствором пирогалловой кислоты (для последующего поглощения кислорода), а сосуд 7 — ра­ створом полухлористой меди (для поглощения окиси углерода). Сое­ динив трехходовым краном 1 газозаборную линию с гребенкой и опу­ ская напорный сосуд вниз, заполняют газом измерительную бюретку; уровень воды в бюретке опускают немного ниже нуля и закрывают трехходовой кран. Затем уровень воды в напорном сосуде поднимают немного выше, чем в бюретке, но ниже нуля; трехходовым краном со­ общают бюретку с наружным воздухом и медленно поднимают напор­ ный сосуд до тех пор, пока уровень воды в нем и в бюретке не устано­ вится на линии нуля, после чего трехходовой кран закрывают.

При производстве анализа газа сначала определяют содержание углекислого газа, затем кислорода и, наконец, окиси углерода. Сое­

96

динив посредством краника измерительную бюретку с одним из по­ глотительных сосудов, уравнительным сосудом перекачивают газ из бюретки в поглотительный сосуд; здесь происходит поглощение со­ ответствующей составляющей газа. Затем подводят уровень погло­ тительной жидкости в поглотительном сосуде точно до отметки под краником и закрывают его. Далее, совмещая уровни воды в напорном сосуде с уровнем воды в измерительной бюретке, определяют величину уменьшения объема газа в измерительной бюретке; это и будет про­ центным содержанием поглощенного газа в продуктах сгорания. Раст­ вор едкого калия поглощает одновременно и S 0 2. По данным анализа получают объем трехатомных газов

по составу топлива и анализу газов. При более тщательных испыта­ ниях определяют содержание R 0 2 -f 0 2, а затем расчетным путем — содержание окиси углерода в дымовых газах по основному уравнению горения:

ZT

висит от элементарного состава топлива. Для мазута ß = 0,3 -4- 0,35.

97