Горение жидкого топлива

При горении жидкого топлива температура воспламенения и горения выше температуры кипения отдельных его фракций, поэтому жидкое топливо вначале испаряется, а затем сгорание паров смеси с воздухом происходит при одном агрегатном состоянии. Скорость горения определяется скоростью испарения капель мазута, которая зависит от качества распыла и от скорости подвода кислорода. Снижение диаметра капель ведет к увеличению поверхности испарения, повышению температуры процесса, усилению теплообмена. Горение паров жидкого топлива происходит в диффузионной области. При недостатке кислорода наблюдается термический крекинг, т.е. образование тяжелых углеводородов в виде мельчайших частиц углерода (сажи), что снижает полноту сгорания топлива.

Условия повышения интенсивности сжигания жидкого топлива:

1. предварительный подогрев;

2. тонкое распыливание;

3. подвод воздуха в ядро факела;

4. хорошие условия перемешивания;

5. поддерживание температуры в ядре факела выше 550°С.

Горение газового топлива

Установлено, что скорость протекания горения газового топлива значительно выше, чем по закону действующих масс и закону Аррениуса. В действительности реакции протекают не непосредственно между исходными веществами, а через ряд промежуточных стадий, в которых участвуют и исходные молекулы и активные осколки в виде O , H , OH, при этом энергия активации промежуточных стадий значительно ниже, а скорость протекания реакций выше.

Началу реакции предшествует период индукции или период зарождения активных частиц за счет разрушения части исходных молекул. Горение газового топлива происходит по законам цепных разветвленных реакций (ЦРР), открытых академиком Семёновым.

Согласно данной теории, превращение исходных веществ в конечные происходит через систему промежуточных звеньев, включающих:

1. зарождение цепи;

2. разветвление цепи (одна активная частица превращается в две или более активных частиц);

3. обрыв цепи.

Рассмотрим реакцию на примере горения водорода,

где М – активная молекула

Рис. 19 Схема ЦЦР горения водорода

За один цикл из одного активного атома водорода образуется три активных атома водорода; после второго цикла – 9; после третьего – 27 (реакция лавинообразная).

В реальных условиях часть активных атомов погибает. При этом в каждом сечении факела наблюдается установившийся процесс. Интенсивность сжигания газа определяется условиями смесеобразования.

ЛЕКЦИЯ №6

Материальный баланс котла Определение теоретически необходимого количества воздуха

Горение – это реакция соединения горючих элементов топлива (H, C, S) с окислителем.

Горение называют химически полным, если в результате процесса горения образуются продукты полного окисления.

При отсутствии избыточного кислорода состав продуктов сгорания при полном горении выражается уравнением:

Если в процессе горения образуются газообразные продукты неполного окисления (CO, H и др.), то горение называется химически неполным.

Теоретически необходимым количеством воздуха (V⁰) называется объем воздуха при нормальных условиях, который требуется для полного сгорания единицы топлива или .

Для определения данной величины V⁰ запишем стехиометрические химические реакции горения.

Для твердого и жидкого топлива, состав которых выражается в процентах веса, эти реакции (стехиометрические соотношения) имеют вид:

12кг+32кг=44кг 4кг+32кг=36кг 32кг+32кг=64кг или

1кг+ кг= кг 1кг+8кг=9кг 1кг+1кг=2кг

Согласно закону сохранения масс (где 12, 32, 44 и т.д. – атомарные и молекулярные веса реагирующих веществ и продуктов реакций.

На основании вышеприведенных реакций и учитывая, что воздух содержит 21% кислорода по объёму, получим:

, где - вес О₂ для окисления 1кг топлива

- плотность кислорода при нормальных условиях ( - молекулярный вес О₂, - объём 1 кмоля идеального газа при н.у.)

.

Для газообразного топлива состав выражается в процентах объема. Запишем стехиометрические соотношения процесса окисления горючих компонентов газообразного топлива, учитывая, что 1 кмоль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем (22,41 нм³/кмоль). Закона сохранения объёма не существует.

2H +O =2H O; 2CO + O = 2CO ; CH +2O =CO +2H O

2м 1м³ 2м³ 2м³ 1м³ 2м³ 1м³ 2м³ 1м³ 2м³

1м³ 0.5м³ 1м³ 1м³ 2м³ 1м³

2H S+3O =2H O+2SO

2м³ 3м³ 2м³ 2м³

1м³ 1.5м³ 1м³ 1м³

Таким образом, теоретически необходимый объем воздуха для сжигания газ. топлива

,

где H , CO … - в процентах объема.

Коэффициент избытка воздуха

Поскольку процесс перемешивания топлива с воздухом неидеален, то для обеспечения полного сгорания топлива, необходимо подавать воздуха в топку больше .

Коэффициентом избытка воздуха (α) называется отношение действительного количества воздуха ( ) к теоретически необходимому ( ).

- для твердого топлива;

- для газа и мазута (топка под разрежением);

- для газа и мазута (топка “под наддувом”).

Определение объёмов продуктов сгорания

При полном сгорании топлива и α=1 объем газа состоит из объема трехатомных газов, объема азота и объема водяных паров.

, где

= + - объем трехатомных газов

- объем сухих газов

Для определения объема указанных составляющих, снова используем вышеприведенные реакции горения.

При сжигании твердого и жидкого топлива (состав в % веса)

Объем трехатомных газов

Объем азота состоит из азота воздуха ( ) и азота топлива ( ), где = 28/22,41 - плотность азота.

Объем водяных паров. Водяные пары в продуктах сгорания появляются за счет: окисления водорода ( ), влаги топлива ( ), влагосодержания воздуха ( или 13 ) и пара при распыле мазута в паровых мазутных форсунках( , кг/кг).

- плотность водяных паров.

При сжигании топлива с α>1 объем газов ( ) будет равен:

При химически неполном горении и α>1 объем газов равен:

и т.д.

При этом объем сухих газов:

и т.д.

При сжигании газообразного топлива (состав топлива в % объема), из вышеприведенных реакций окисления горючих газов, имеем

, где

При изменении балласта топлива ( ) объемы теоретически необходимого количества воздуха и газов , , пересчитываются по тем же коэффициентам пересчета, что и состав топлива.

Объемы сухих газов можно определить, зная состав топлива и объемы составляющих продукты сгорания, из соотношения:

(1)

Для твердого и жидкого топлива:

(2)

Для газового топлива:

(3)

Из данных выражений можно получить, что равен:

(4)

где и - содержание компонентов в топливе.

- процентное содержание этих газов в продуктах сгорания.

(5)