приложения - Android;docx

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО Тюменский государственный архитектурно-строительный
университет
Кафедра «Промышленной теплоэнергетики»
ТОПЛИВО И РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Методические указания
к выполнению контрольной работы студентов очного и заочного
отделения специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»
и студентов очного и заочного отделения специальности
«Безопасность технологических процессов и производств
(в строительстве)»
Тюмень, 2008
2
Методические указания к самостоятельной работе студентов очного и заочного
отделения специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», а также студентов
очного и заочного отделения специальности БТП «Безопасность технологических процессов
и производств (в строительстве)» - Тюмень, ТюмГАСУ, 2008г., 20 стр.
Рецензент
к.т.н., доцент Жилина Т.С.
Составили:__________________к.т.н., доцент кафедры ПТ Погорельцев Е.Г.
__________________к.т.н., доцент кафедры ПТ Полетыкина Т.П.
Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:
Протокол №_____от «__»__________2008г.
Учебно-методический материал утвержден УМС университета:
Протокол №____от «__»____________2008г.
Зав. кафедрой
д.т.н., проф.
Тираж 100 экземпляров
Степанов О.А.
3
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. Энергетическое топливо и его классификация
2. Состав топлива
3. Теплотехнические характеристики топлива
4. Понятие условного топлива и приведенные характеристики
5. Теплота сгорания топлива
6. Расход воздуха, необходимый для горения
7. Продукты сгорания топлива
8. Энтальпия продуктов сгорания
9. Вопросы для самопроверки
10. Контрольные задачи, вынесенные на самостоятельную проработку
11. ЛИТЕРАТУРА
4
4
6
8
10
10
13
14
15
19
19
20
4
Введение
Одним из основных источников получения тепловой энергии в промышленности, на
транспорте и в быту является химическая энергия топлива. В настоящее время около 70%
энергии, вырабатываемой и потребляемой на земном шаре, получают за счет химической
энергии органического топлива и только 30% - путем использования энергии воды, ветра,
солнца, а также ядерной энергии.
Не все горючие вещества могут являться топливом, они должны удовлетворять
следующим требованиям:
1. Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в качестве топлива
должна обосновываться технико-экономическими факторами, которые учитывают
имеющиеся запасы, стоимость добычи и транспортировки к потребителю, тепловую
ценность топлива (т.е. тепловыделение на единицу массы или объема), реакционную
способность (активность соединения с окислителем).
2. Должны легко загораться и содержать небольшое количество негорючих примесей
(воды и золы).
3. Необходимо, чтобы у них имелись безвредные и газообразные продукты сгорания,
которые легко можно удалить из зоны горения.
4. Процесс горения должен быть легко управляемым.
1. Энергетическое топливо и его классификация.
Энергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически
целесообразны использовать для получения в промышленных целях больших кол ичеств
тепла. Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли,
природный газ, продукты переработки нефти.
По способу получения различают природные и искусственные топлива. К природным
относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых
топлив к искусственным относятся: кокс, брикеты угля, древесный уголь; из жидких – мазут,
бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо; из газовых - газы доменный,
генераторный, коксовый, подземной газификации.
Характеристики и состав твердого топлива, в том числе выход летучих, спекаемость
кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения угля. С увеличением выхода летучих и
содержания в них более реакционноспособных газов воспламенение топлива становит ся
легче, а кокс благодаря большей пористости получается более реакционноспособным.
По этим свойствам каменные угли классифицируют. Ископаемые угли подразделяют на
три основных типа: бурые, каменные угли и антрацит.
Бурые угли. К бурым углям марки Б относят угли неспекающимся коксам и высоким
выходам летучих, обычно более 40%, и с высшей теплотой сгорания рабочей массы без
зольного угля
Qвр
100
100 А р
23,88
МДж
кг
Бурые угли характеризуются высокой гигроскопической и в большинстве случаев
высокой общей влажностью, пониженной содержанием углерода и повышенным
содержанием кислорода по сравнению с каменными углями. Вследствие сильной
балластированности золой (А р =15 – 25%) и влагой (Wр=20 – 35%) низшая теплота сгорания
бурых углей пониженная Qнр =10,5-15,9 МДж/кг.
По содержанию влаги бурые угли
разделены на три группы: Б1 – с содержанием влаги Wр >40%; Б2 – Wр=30-40%; Б3 –
Wр <30%. Эти угли на воздухе легко теряют влагу и механическую прочность, превращаясь в
мелочь, и склонны к самовозгоранию.
5
Каменные угли. К каменным углям относят угли с высшей теплотой сгорания
рабочей массы беззольного угля
Qвр
100
100
Ав
23,88
МДж
кг
и с выходом летучих более 9%. Основная масса их спекается. Часть их с выходом
летучих больше 42-45% (длиннопламенные) и менее 17% (тощие) не спекается.
Каменные угли обладают относительно меньшим балластом: А р=5-15%, Wр =5-10% и
более высокой теплотой сгорания Qнр =23-27,23 МДж/кг.
Характеристика каменных углей
Марка углей
Длиннопламенный
Обозначени
е
Д
Выход летучих веществ на
горючую массу, %
36 и более
Газовый
Г
35 и более
Характеристика
нелетучего остатка
От порошкообразного до
слабоспекшегося
Спекшийся
Газовый жирный
Жирный
Коксовый жирный
Коксовый
Отощенный
спекающийся
Тощий
ГЖ
Ж
КЖ
К
ОС
Более 31 (до 37)
24 - 37
25 - 33
17 - 33
14 - 27
То же
«
«
«
«
Т
9 - 17
Слабоспекающийся
СС
17-37
От порошкообразного до
слабоспекшегося
От порошкообразного до
слабоспекшегося
Угли с высокой степенью углефикации (С г=90–93%), с малым выходом летучих (Vг=2–
9%) и с теплотой сгорания Q б<34,7 МДж/кг, несколько меньшей, чем у тощих углей, относят
к антрацитам.
С увеличением степени углефикации топлива выход летучих веществ уменьшается. Это
происходит в основном из-за уменьшения содержания кислорода, что обуславливает
увеличение теплоты сгорания на горючую массу.
Угли спекающихся марок К, а также в значительной части марок КЖ и ОС, Г и ГЖ
используются для коксохимической переработки. Энергетическими являются топлива марок
АШ, Т и Д, бурые угли, отходы обогащения коксующих углей.
Классификация углей по размеру кусков
Наименование
Обозначение
Плита
Крупный
Орех
Мелкий
П
К
О
М
Размер
кусков, мм.
Более 100
50-100
25-50
13-25
Наименование
Обозначение
Семячко
Штыб
Рядовой
С
Ш
Р
Размер
кусков, мм.
6-13
Менее 6
Не ограничен
Торф. Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым
твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (Vг=70%), высокой влажностью
(Wр=40-50%), умеренной зольностью (А с =5-10%), низкой теплотой сгорания Qнр =8,38-10,47
МДж/кг. Как наиболее дешевый по добыче широко применяется фрезерный торф.
6
Сланцы. Зольность сланцев очень большая и доходит до А р =50-60%, влажность
также повышенная Wр =15-20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая
Qнр =5,87-10 МДж/кг при высокой теплоте сгорания горючей массы Qн г=27,2-33,5МДж/кг.
Высокое содержание водорода в горючей массе Н г=7,5-9,5% обуславливает большой выход
летучих у сланцев и их легкую воспламеняемость.
Мазут. Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок – 40, 100 и 200.
Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80 С для мазута 40 - 8,0; для
мазута 100 - 15,5; для мазута 200 - 6,5-9,5 град.усл.вязкости ( УВ) при 100 С.
В мазуте содержится углерода 84-86% и водорода 11-12%, содержание влаги не
превышает 3-4%, а золы 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания Qнр =39,38-40,2
МДж/кг.
По содержанию серы различают малосернистый мазут S р<0,5%, сернистый - Sр до 2% и
высокосернистый Sр до 3,5%; по вязкости – маловязкий и высоковязкий, содержащий
смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру
застывания 25-35 С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев
вязких мазутов до температуры 80-120 С.
Природный газ. Природные газы представляют собой смесь углеводородов,
сероводорода и инертных газов: азота и углекислоты. Основной горючей составляющей
природных газов является метан (от 80 до 98%), что обуславливает их высокую теплоту
сгорания. Содержание инертных газов: 0,1-0,3% СО2 и 1-14% N2.
Теплота сгорания сухого природного газа Qнс =33,52-35,61 МДж/м3.
Природный газ в первую очередь расходуют на коммунальные нужды. Поэтому
тепловые электростанции несут роль буфера, сглаживающего небаланс между поступлением
газа и его расходованием на коммунальные нужды. Этот небаланс особенно увеличивается в
зимнее время. В летнее время ряд электростанций работает на природном газе, а зимой на
резервном топливе – угольной пыли или мазуте.
Как основное (единственное) топливо газ используется только на электростанциях,
расположенных в непосредственной близости от газового месторождения.
2. Состав топлива
Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих
элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя
минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив позволяет
рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива. Соответственно степени
углефикации содержание углерода в органической массе топлив увеличивается, а кислорода
и азота уменьшается, что способствует повышению энергетической ценности топлива.
Химический состав газообразный топлив, представляющих собой простые смеси,
определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема.
Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а
вещество, составляющее его, - рабочей массой. Элементарный химический состав
выражается следующим образом:
Ср
Нр
Ор
Nр
S орр
к
Ар
Wр
100%
Горючие вещества: углерод С, водород Н, сера S, а также кислород О и азот N,
находящиеся в сложных высокомолекулярных соединениях. Топливо содержит негорючие
минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу А и влагу W.
Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах
его месторождения и различных местах могут быть разные, а также изменяются при
транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Для
сравнительной теплотехнической оценки сортов топлива ввели условные понятия сухой,
горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах,
обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с»,
«г» и «о» вместо индекса рабочей массы «р».
7
Твердое топливо с установившейся в естественных
условиях
влажностью
называется воздушно-сухим. Проба такого топлива носит название аналитической пробы
топлива. Ее элементарный химический состав записывается:
Са
На
Оа
Nа
S ора
Аа
к
Wа
100%
Сухой называется обезвоженная масса рабочего топлива:
Сс
Нс
Ос
Nс
S орс
Ас
к
100%
Безводная и беззольная масса топлива называется горючей:
СГ
НГ
ОГ
NГ
S орГ
100%
к
Исключение из горючей массы колчеданной серы приводит к органической массе
топлива:
Со
Но
Оо
Nо
S оро
100%
Пересчет состава топлива с одной массы на другую, более обогащенную горючими,
производится определением количества отдельных элементов заданной массы в процентах от
количества содержащейся в ней массы, на которую делается пересчет.
Так, для пересчета с рабочей на сухую массу следует определить количество отдельных
элементов рабочей массы, например углерода (С р/100, кг/кг), в процентах от количества
100 W р кг
,
содержащейся в ней сухой массы (
кг ).Следовательно, для пересчета содержания
100
углерода с известной рабочей массы топлива на сухую массу С с, %, можно записать:
С
с
С р / 100
(100 W р ) / 100
100
100
Ср
р
100 W
100
, можно определить величину и
100 W р
других составляющих элементов сухой массы по величине соответствующего элемента в
рабочей массе.
Состав горючей массы при известном составе рабочей определяется по количеству
отдельных элементов рабочей массы, например, водорода Н р/100, кг/кг, в процентах от
количества содержащейся в ней горючей массы:
Пользуясь пересчетным коэффициентом
100
.НГ
( А р W р ) кг
, , т.е.
100
кг
Н Р / 100
100
100 А р W Р 100
НР
100
.
100 ( А Р W Р )
Пересчетный коэффициент с рабочей на органическую массу равняется:
100
р
100 ( S к А р W р )
100 W а
А с рабочей на массу аналитической пробы –
.
100 W р
8
Коэффициенты пересчета состава твердого топлива с одной массы на другую
Заданная масса
топлива
Рабочая
Рабочая
Сухая
100
100 W
1
1
Сухая
100 W р
100
100 W р А р
100
Горючая
Горючая
100
100 W р
р
Ар
100
100 А с
1
100 А с
100
Элементарный химический состав горючей массы различных
видов твердого и жидкого топлива
Топливо
Древесина
Торф
Бурый уголь
Каменный
уголь:
Длиннопламе
нный
Тощий
Антрацит
Горючие
сланцы
Мазут
Состав горючей массы, %
С
Г
Н
Г
ОГ
NГ
S орГ
к
51
58
64-77
6
6
4-6
42,6
33
15-25
0,5
2,5
1
0,5
0,5-7,5
75-80
5-6
10-16
1,5
0,5-7
88-90
90-93
60-75
4-4,5
2-4
7-9
3-4
2-4
10-17
1,5
1
1
1-3
0,5-2
5-15
86-88
10-10,5
0,5-0,8
0,5-3
3. Теплотехнические характеристики топлива
Для оценки эффективности использования топлив в парогенераторах и условий
надежности работы важными теплотехническими характеристиками топлив являются:
содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих, свойства коксового
остатка и величина теплоты сгорания. Определение этих характеристик входит в
технический анализ топлива. Свойства топлива как горючего материала зависят от его
химического состава, который определяется элементарным химическим анализом.
Минеральные примеси топлива
В твердом топливе значительную часть примесей составляют внешние примеси.
Поэтому содержание минеральных примесей даже в одном и том же виде топлива может
сильно колебаться. Основными минеральными примесями являются: силикаты (кремнезем
SiO2 ,глинозем Аl2 O3, глина), сульфиды (преимущественно FeS2 ), карбонаты (CaCO3,
MgCO3,FeCO3 ), сульфаты (СаSO4, MgSO4 ), закиси и окиси металлов, фосфаты, хлориды, соли
щелочных металлов.
Балласт топлива
Негорючие минеральные примеси, и влага являются внешним балластом твердого
топлива. Своим присутствием минеральные примеси, и влага уменьшают содержание
9
горючей массы в единице массы рабочего топлива; кроме того, при сжигании топлива
на испарение влаги затрачивается определенное количество тепла.
По происхождению различают три вида минеральных примесей: первичные примеси – в
составе материнского вещества перешли в топливо из углеобразователей; вторичные примеси
– внесены в топливо в процессе углеобразования как наносы ветром и водой; третичные
примеси – попадают в топливо в виде породы при его добыче от внешнего минерального
окружения вырабатываемого пласта.
Зола топлива
Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в
минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход
газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным
минеральным примесям топлива.
В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя
раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или
гранулированном состоянии.
Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола
с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева
парогенераторов.
Влага топлива
Влагу топлива подразделяют на две части: внешнюю и внутреннюю. К внешней влаге
относятся: подземные и грунтовые воды, влага из атмосферного воздуха, попадающие при
добыче топлива, транспортировке и его хранение, а также капиллярная влага. Внешняя влага
может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой.
К внутренней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага является
составной частью топлива. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и
состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе. Гидратная или
кристаллизационная влага химически связанна с минеральными примесями топлива. При
подсушки испаряется часть коллоидной влаги, но практически не изменяется содержание
гидратной влаги. Последняя может быть удаленна лишь при высоких температурах.
Важной технической характеристикой является гигроскопическая влажность топлива,
получаемая при подсушки до равновесного состояния в воздушной среде: температура
20 1 С и относительной влажности 65 5%.
Выход летучих и свойства кокса
Одними из наиболее важных теплотехнических характеристик топлив являются
величина выхода летучих и свойства коксового остатка.
При нагревании твердых топлив происходит распад термически нестойких сложных,
содержащих кислород углеводородистых соединений горючей массы с выделением горючих
газов: водорода, углеводородов, окиси углерода и негорючих газов – углекислоты и водяных
паров. Выход летучих веществ определяют нагреванием пробы воздушно-сухого топлива в
количестве 1 грамм без доступа воздуха при температуре 850 С в течение 7 мин.
У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ различна. По мере
увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а
температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения к оличества
инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается.
После отгонки летучих веществ из топлива образуется так называемый коксовый
остаток. При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в
пластическое состояние или расплавляются, порошкообразным проба угля, испытываемого
на содержание летучих, может спекаться или вспучиваться.
10
Способность топлива при термическом
прочный кокс называется спекаемостью.
разложении образовывать более или менее
4. Понятие условного топлива и приведенные характеристики
Расход топлива на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты
сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по
энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено
понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Qусл=29,33
МДж/кг.
Пересчет расхода данного топлива в условной производится по соотношению
В усл
В
Qнр
Q усл
Понятие условного топлива как общим способом измерения пользуются также при
планировании добычи и потребления топлива.
Приведенные характеристики, отражающие содержание влаги и золы в топливе,
отнесенные к единице низшей теплоты сгорания его рабочей массы, являются более
полными.
Приведенная влажность и зольность Wп и Ап, % кг/МДж, определяются по следующим
соотношениям:
п
W
А
п
Wр
,
Qнр
Ар
Qнр
Соответственно более полной мерой оценки содержания серы в топливе является
приведенная сернистость топлива Sп , % кг/МДж:
S
п
Sр
Qнр
5. Теплота сгорания топлива
Всякая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла и
соответственно называется экзотермической или эндотермической. Химические реакции,
протекающие в процессах горения, преимущественно сильно экзотермические, некоторые
реакции, как, например, реакции восстановления углекислоты, являются эндотермическими.
Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы данного
топлива зависит от того, в паровом или жидком состоянии находится влага в продуктах
сгорания. Если водяной пар сконденсируется, и вода в продуктах сгорания будет находиться
в жидком виде, то тепло парообразования освободится и тогда количество тепла,
выделяющегося при сгорании единицы массы топлива, получается больше.
Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого
топлива или 1м 3 газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в
продуктах сгорания сконденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.
В условиях температур и парциального давления Н 2О на всем протяжении газового
тракта парогенератора водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, не
конденсируются и вместе с ними отводятся в атмосферу. Следовательно, некоторая часть
тепла, выделившегося при сгорании затрачивается на образование водяного пара и не может
быть использована в парогенераторе. Поэтому теплота сгорания получается меньше
освобождающейся при горении химической энергии топлива.
11
Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или
жидкого или 1 м 3 газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров,
образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания.
Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания можно написать в следующем
виде:
QВР
QНР
G H 2O
,
где масса влаги, содержащейся в 1 кг топлива, и влаги, образующейся в результате
горения водорода топлива,
9H
G H 2O
а
п
п
р
WР
,
100
- теплота парообразования, условно принимаемая равной 2,51 МДж/кг.
После подстановки значений GH 2O и
п
соотношение для рабочей массы принимает
вид:
Qнр
Qвр
0,0251(9Н р
W р)
Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия системы зависит только
от состояния в данный момент, поэтому ее изменение при переходе системы от одного
состояния к другому зависит от начального и конечного состояния и не зависит от пути
перехода.
Применим первый закон термодинамики к закону Гесса, который гласит: тепловой
эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния, но не
зависит от пути, по которому протекала реакция.
Этот закон был экспериментально открыт русским академиком Гессом в 1840 г. Закон
Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакций, в которых она непосредственно не
может быть измерена, а также реакций, которые при существующих условиях не происходят.
Так, например, непосредственно калориметрически определить теплоту сгорания
углерода в СО по реакции
С+0,5 О2 =СО+QI (*).
невозможно, так как при этом одновременно с СО образуется частично и СО 2. Но легко
измерить теплоту сгорания окиси углерода Qп и углерода в углекислоту QIII по реакциям:
СО + 0,5О2 =СО2+285,8 МДж/моль и
С + О2 =СО2+409 МДж/моль
По закону Гесса теплота сгорания зависит только от начального и конечного состояния.
Поэтому в случае, когда система переходит из начального состояния в конечное через ряд
промежуточных состояний, сумма теплот сгорания при отдельных промежуточных реакциях
должна равняться теплоте сгорания при непосредственном превращении, т. е.
Q I Q II Q III .
Следовательно, теплота сгорания углерода в СО будет равняться:
Q I Q III Q II 409 285,8 123,2МДж / моль .
К тому же результату можно прийти, производя соответствующие уравнению (*)
алгебраические действия над термохимическими уравнениями реакций. Так, для
рассматриваемого примера можно написать:
С О2 СО 2 409
СО 0,5О2 СО 2 285,8
С СО 0,5О2 123,2
или
С+0,5 О 2 =СО+123,2 МДж/моль.
Используя закон Гесса, можно производить расчеты по определению теплоты
12
образования химических соединений. Теплотой образования называется тепловой эффект,
получающийся при образовании соединения из его элементов. Непосредственное измерение
теплоты образования представляет значительные трудности, часто реакции образования
соединения совершенно не возможно провести калориметрически.
В натуральных твердых и жидких топливах горючие элементы находятся в различных
химических соединениях, по теплоте образования которых нет данных и не представляетс я
возможным учесть все разнообразие их в различных топливах. Поэтому нельзя определить
теплоту сгорания топлива как сумму теплот сгорания горючих элементов. Так как теплоту
сгорания твердых и жидких топлив невозможно аналитически определить по их
элементарному химическому составу, то ее определяют экспериментально с помощью
калориметра.
Сущность этого метода заключается в том, что в герметически закрываемом стальном
цилиндрическом сосуде, называемом калориметрической бомбой, помещают в среде
кислорода под давлением 2,5 – 3 МПа навеску испытуемого топлива в 1 г. Бомбу погружают
в водяной калориметр. После наступления в калориметре установившегося теплового
состояния при помощи электрического запальника зажигают топливо. По приросту
температуры воды в калориметре, замеряемому с точностью до 0,001 С, и массе пробы
топлива вычисляют его теплоту сгорания, которая в этом случая называется теплотой
сгорания по бомбе Qб .
В калориметрической бомбе водяные пары, выделяющиеся при сгорании водорода и
испарении влаги пробы топлива, конденсируются, выделяя теплоту парообразования. Но
вместе с тем в бомбе теплота сгорания получается больше, чем Q ВР , так как при сгорании
пробы топлива в бомбе в среде кислорода протекают экзотермические реакции образования
серной и азотной кислоты, которые в топочных условиях не имеют места.
Введя поправку к величине Qб на теплоту образования в бомбе азотной кислоты и
окисление сернистого газа в SO3 и растворение последнего в воде, получают высшую
теплоту сгорания, МДж/кг.
Qвр
Qб
9,43 10
2
S ор
к
6,3 10
6
Qб
-2
В формуле Qб - теплота сгорания по бомбе; 9,43*10 Sор+к – теплота, выделяющаяся
при окислении в бомбе SO2 до SO3 и растворение последней в воде; 6,3 10 -6 Qб - теплота
образования азотной кислоты в бомбе для каменных и бурых углей. Для углей марок Т, ПА,
А и жидких топлив эта величина равна 4,19 10 -6 Qб.
При определении теплоты сгорания сланцев и других топлив, содержащих карбонаты,
при сжигании их в калориметрической бомбе карбонаты практически полностью
разлагаются. Поэтому полученное опытом значение Qб уменьшают на величину теплоты
разложения карбонатов 40,6 103(СО2 )рк, МДж/кг.
При отсутствии опытных данных для приближенного расчета теплоты сгорания
твердого и жидкого топлива Qрн , МДж/кг, пользуется формулой Менделеева:
Qнр 0,339С р 1,03Н р 0,109(О р S орр к ) 0,0251W р ,
в которой коэффициенты подобранны экспериментально и несколько отличаются от
теплот сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива.
Теплоту сгорания газового топлива определяют в газовом калориметре и относят к 1
3
м сухого газа. При отсутствии опытных данных ее определяют как сумму теплоты сгорания
горючих газов, входящих в состав газового топлива, по формуле:
Qнс
0,01 (QСН 4 СН 4
QС2 Н 6 С2 Н 6
QС3 Н8 С3 Н 8 ) .
В формуле:
СН4, С2 Н6 и т.д. – содержание горючих газов в сухом газовом топливе, % по объему;
QСН 4 QC2 Н 6 и т.д. – теплота сгорания соответствующих газов, МДж/м 3 .
13
6. Расход воздуха, необходимый для горения
В изолированных, как и совместных параллельных и последовательных реакциях,
исходные вещества вступают в химические соединения и образуют новые продукты в
определенных, так называемых стехиометрических соотношениях (закон кратных отношений
Дальтона).
Согласно этому закону горючие составляющие топлива вступают в химическое
реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении. Расход кислорода
и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических
уравнений горения, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя
эти уравнения к 1 кг горючего и выразив газообразные вещества в объемных единицах,
делением их массовых количеств на значения плотностей получим количество кислорода и
выход продуктов сгорания на 1 кг каждый составляющей горючей массы топлива в м 3 при
давлении 0,1013 МПа (760 мм рт. ст) и 0 С.
Для углерода: С+О 2 =СО2 ,
12,01 кг С+32 кг О 2 =44,01 кг СО2 ;
1 кг С+1,866 м3 О2 = 1,866 м3 СО2.
Для серы: S+О2 =SО2 ,
32,06 кг S+ 32 кг О2 =64,06 кг SО2 ;
1 кг S+0,7 м3 О2 =0,7 м3 SО2 .
Для водорода:2Н 2 +О2 =2Н2 О,
4,032 кг Н2 +32 кг О2 =36,032 кг Н 2 О;
1 кг Н2О+5,55 м3 О2 =11,1 м3 Н2О.
Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1 кг
топлива, и вычитая количество кислорода топлива, получим теоретически необходимое
количество кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива VO02 , м 3 / кг :
V
0
o2
Ср
1,866
100
0,7
S орр
к
100
Нр
5,55
100
Ор
100 О2
В формуле:
Ср; S ор+кр; Нр; Ор – соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и
кислорода в топливе, %; О2 - плотность кислорода, кг / м 3 .
В воздухе содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому теоретически
необходимое количество воздуха для горения V0 , м 3 / кг , т.е. количество воздуха, которое
необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащийся в нем
кислород прореагирует, составляет:
VО02
0
V
0,0889 (С р 0,375 S орр к ) 0,265 Н р 0,0333О р
0,21
Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку приходится
подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение количе ства воздуха Vв,
действительно поданного в топку, к теоретически необходимому V0 называется
коэффициентом избытка воздуха:
Vв
V0
При нормальной организации топочного процесса >1, причем чем совершеннее топка
и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится подавать «лишнего» воздуха. В
лучших топочных устройствах =1,02-1,05, в плохих – до 1,3-1,5.
14
7. Продукты сгорания топлива
Продукты полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива содержат: продукты
полного сгорания углерода и серы; азот топлива и азот, находящийся в теоретически
необходимом количестве воздуха; теоретическое количество водяного пара, включающее в
себя пар, образующийся при испарении влаги топлива и в результате полного сгорания
водорода топлива, пар, вносимый в топку влажным теоретически необходимым
количеством воздуха, и пар, используемый иногда для распыления при сжигании мазута; и,
наконец, избыточно поданный воздух и находящийся в нем водяной пар.
При определении состава продуктов сгорания с помощью газоанализаторов в
отбираемой для анализа пробе газов водяные пары конденсируются. Результаты анализа
дают процентное содержание продуктов сгорания от общего объема газов без водяных
паров. Поэтому обычно продукты сгорания разделяют на сухие газы и водяные пары . В
этих анализах содержание трехатомных газов СО 2 и SО2 определяется совместно, поэтому
их принято обозначать символом RО2 и подсчитывать по формуле:
1,866 р
V RO2 VCO 2 VSO2
(С
0,375 S орр к )
100
Для упрощения расчетов объемы остальных компонентов продуктов сгорания расчленяют
на теоретические количества, получающиеся при сжигании 1 кг топлива с теоретически
необходимым количеством воздуха, и их количества в избыточно поданном для горения воздухе.
Теоретический объем азота V N02 , м3/кг,
Nр
,
100
где число 0,8 представляет частное от деления единицы на плотность азота, равную 1,251
кг/м3.
Теоретический объем водяных паров V Н02О , м3/кг,
V N02
0,79V 0
0,8
V Н02О = 0,111 Н р 0,0124 W р 0,0161 V00 ,
В этом выражении первое слагаемое представляет собой объем водяного пара,
получаемого при сгорании водорода топлива; второе – объем водяного пара, получаемого при
испарении влаги, содержащейся в топливе 0,01Wр/ Н 2О ; третье – объем водяного пара,
вносимого теоретически необходимым количеством воздуха, равный:
V 0 Вd
0,0161V 0 ,
1000 Н 2О
где в , H 2O и d – соответственно плотность сухого воздуха и водяного пара и содержание
влаги в воздухе, обычно принимаемое равным 10 г/кг.
Объем пара, используемого в количестве Gф, кг/кг, для распыления мазута или дутья,
включается в выражение дополнительным слагаемым – величиной 1,24 Gф.
Объем трехатомных сухих газов в сумме с теоретическим объемом азота и водяного пара
3
составляет теоретический объем продуктов сгорания V 0 , м кг ,
Г
V Г0
VRO2
VN02
VH02O
При сжигании топлива с >1 действительный объем продуктов сгорания больше
теоретического на величину объема избыточно поданного в топку воздуха ( -1)V0 и объема
водяных паров, содержащихся в нем, 0,0161( - 1) V0. Поэтому общий объем продуктов
сгорания составляет VГ, м3/кг,
VГ
VГ0 1,0161(
1)V 0
15
Общий объем продуктов сгорания разделяют на объем сухих газов VС.Г, м3/кг,
VСГ .
V N02
VRO2
(
1)V 0
0,0161(
1)V 0
и общий объем водяных паров VH 2O, м3/кг,
VH02O
V H 2O
Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газового топлива также
рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих
составляющих.
Теоретическое количество V0 м3/м3, определяется как суммарный его расход на сжигание
горючих 1 м3 сухого газового топлива при =1 по формуле:
n
V 0 0,0476 0,5СО 0,5Н 2 1,5Н 2 S
(m
)C m H n O2
4
При отсутствии данных о составе непредельных углеводородов принимается, что они
состоят из С2Н4.
Теоретический объем азота V N02 , м3/м3,
V N02
0,79V 0
N2
100
Объем трехатомных газов VH02O , VRO2 , м3/м3,
VRO2
VH02O
0,01 CO 2
0,01 H 2 S
CO
H2S
n
Cm H n
2
H2
mC m H n ;
0,124d Г ,ТЛ
0,0161V 0 ,
где dг.тл. – влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа, г/ м3.
Обычно в топочных камерах поддерживается небольшое разряжение для предотвращения
выбивания газов в помещение котельной. В последующих за топкой газоходах парогенератора
устанавливается разрежение, превышающее разрежение в топке на величину сопротивления,
рассматриваемого и предшествующих газоходах. Через неплотности в металлической обшивке и
обмуровке парогенератора, через лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха в
газоходы, находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сгорания,
протекающих в них. Величины присосов воздуха в газоходы парогенератора в долях от
теоретически необходимого количества воздуха при исправном состоянии обмуровки, обшивки
и гарнитуры парогенераторов.
Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для выбранных значений т и
коэффициентов избытков воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с т
присосов воздуха в рассматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V0. В
газоплотных парогенераторах присосы воздуха отсутствуют. Объем газа по газоходам остается
одинаковым и рассчитывается по коэффициенту избытка воздуха в топке.
8. Энтальпия продуктов сгорания
При выполнении как конструкторского, так и поверочного расчета парогенератора, а также
при обработке результатов балансовых испытаний для определения тепловосприятия в
отдельных газоходах необходимо вычислить энтальпию продуктов сгорания, определяемую на
1 кг твердого и жидкого топлива или на 1 м3 газового топлива по формуле:
HГ
Н Г0
1 Н В0
Н ЗЛ ,
в которой энтальпия теоретического количества продуктов сгорания Н Г0 , МДж/кг или
МДж/м3 ( =1), при температуре , С,
16
Н Г0
VRO2 (c ) CO2
VN02 (c ) N 2
VH02O (c ) H 2O ,
энтальпия теоретически необходимого количества воздуха Н В0 , МДж/кг или МДж/м3,
Н В0
V 0 (с ) В
Здесь (с ) СО2 , (с ) N2 , (с ) Н 2О и(с ) В - энтальпия 1 м3 углекислоты, азота, водяного пара и
влажного воздуха.
Средние теплоемкости воздуха и газов от 0 до 2500 С, кДж/(м3 К)
T,. С
0
500
1000
1500
2000
2500
сСО2
1,5998
1,9887
2,2035
2,3354
2,4221
2,4811
c O2
1,3059
1,3980
1,4775
1,5294
1,5692
1,6027
с N2
1,2946
1,3276
1,3917
1,4440
1,4826
1,5114
c H 2O
1,4943
1,5897
1,7229
1,8527
1,9628
2,0528
c С .В
сВ
1,2971
1,3427
1,4097
1,4620
1,5010
1,5303
1,3188
1,3683
1,4373
1,4926
1,5328
1,5638
Энтальпия золы Н ЗЛ , МДж/кг,
Ар
(с ) ЗЛ
100
учитывается, если приведенная величина уноса золы из топки
аУН А р
1,43% кг / МДж
QНр
В формуле:
аУН доля золы топлива, уносимая газами;
Н ЗЛ
аУН
с ЗЛ теплоемкость золы твердых топлив, включая при высоких температурах теплоту
превращения из твердого в жидкое состояние, значения которой приведены в таблице
“Теплоемкость золы твердых топлив”.
Теплоемкость золы твердых топлив
T, C
кДж
с ЗЛ ,
кг К
T, C
кДж
с ЗЛ ,
кг К
T, C
кДж
с ЗЛ ,
кг К
100
200
300
400
500
600
700
0,7955
0,8374
0,8667
0,8918
0,9211
0,9420
0,9504
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
0,9630
0,9797
1,0048
1,0258
1,0519
1,0969
1,1304
1500
1600
1700
1800
1900
2000
1,1849
1,2228
1,2979
1,3398
1,3816
1,4235
Все формулы для подсчета объемов и энтальпии относятся к случаю полного сгорания, но
они с достаточной для расчетов точностью применимы также при наличии химической
неполноты горения.
17
Расчеты теплообменников удобно выполнять с помощью Н, t – диаграммы,
представляющей собой ряд линий, дающих зависимость энтальпии продуктов сгорания Н г от их
температуры при различных значениях в. Для примера на рисунке 1 построена Н, t – диаграмма
для продуктов сгорания природного газа (газопровод Бухара – Урал).
Прежде всего, по Н, t – диаграмме можно определить температуру, которую имели бы
продукты сгорания при условии, что вся теплота горения затрачивается только на их нагрев, а
теплопотери отсутствуют. Эта температура называется адиабатной, поскольку горение
осуществляется в адиабатном процессе – изолированной системе, без теплопотерь. Если
продуктов неполного сгорания нет, теплота из зоны горения не отводится и сжигание
организованно в потоке (практически при р=const), то количество выделяющейся при сгорании
теплоты равно энтальпии продуктов сгорания:
Н ГА
Qнр
Н В.Т
hТЛ .
Если температура воздуха tв.т и топлива (tтл) на входе в топку равны нулю, то их энтальпии
Нвт= hтл=0 и Н ГА Qнр .
А
р
Откладывая на Н, t – диаграмме значение Н Г Qн , найдем на пересечении с кривой,
построенной для выбранного значения
в, соответствующую адиабатную температуру.
r
Например, значения в=1,25 и Qi 36,7МДж/ м 3 соответствует точка А на рис. 1, т.е.
ta=1700 С. Естественно, адиабатная температура будет максимальной для стехиометрической
смеси, т.е. для в=1. Она называется теоретической tт. В примере на рис. 1 tт=2000 С. С
увеличением в в продуктах сгорания появляется «лишний» воздух, на нагрев которого также
затрачивается теплота, поэтому адиабатная температура уменьшается. Теоретическая
температура горения некоторых газообразных топлив в холодном воздухе, рассчитанная без
учета диссоциации, составляет:
Газ
tт, С
Газ
tт, С
СО
2370
Коксовый
2090
Н2
2230
Природный
2020
СН4
2030
Доменный
1410
Действительная температура оказывается тем ниже адиабатной, чем больше теплопотери
(в основном излучением) из зоны горения на холодные стены топки и в окружающую среду, и
обычно отличается от нее на 20-25%. При нагреве воздуха или обогащении его кислородом
адиабатная температура увеличивается.
В процессе сгорания топлива в топочных камере теплота может передаваться конвекцией и
излучением нагреваемому материалу в печах или охлаждающим поверхностям в котлах. В
результате газы охлаждаются, их энтальпия снижается. Этот процесс на рисунке 1 изображается
линией в= const. Например, при охлаждении в топке продуктов сгорания до 1100 С и
неизменном коэффициенте избытка воздуха в=1,25 (линия АВ) их энтальпия снижается до
22,5 МДж/м3. Теплота, отдаваемая продуктами сгорания в процессе их охлаждения (в расчете на
единицу количества сгоревшего топлива), равна уменьшению их энтальпии, т.е.
Q Г Н Г' Н Г" , (*)
где Н Г' , Н Г'' - энтальпии газов соответственно до и после теплообменника.
Уравнение теплового баланса (*) служит основой для расчета всех теплообменных
поверхностей.
Очень часто для удаления продуктов сгорания из агрегата их отсасывают, т.е. они движутся
в агрегате под разрежением. Через неплотности к ним может подсасываться атмосферный
воздух. Пусть коэффициент избытка воздуха увеличится при этом от 1,25 до 1,5 ( в=0,25).
Энтальпия газов при этом практически не изменится, поскольку энтальпия подсасываемого
холодного воздуха близка к нулю. Следовательно, подмешивание (присос) холодного воздуха к
продуктам сгорания изобразится в Н, t – диаграмме горизонтальной линией Нг=const. В нашем
18
примере газы охладятся за счет присоса (с 1100 до 930 С, линия ВС). Чем больше присосы,
тем меньше окажется разность энтальпий при той же разности температур, поэтому из-за
присосов через неплотности в газоходах, когда газ движется под разрежением, экономичности
теплообменника снижается так же, как и из-за утечек части горячего газа через те же
неплотности, когда газ по газоходу движется под давлением.
Нг, МДж/м3
А
Д
30
Н
С
20
10
В
19
9. Вопросы для самопроверки.
1. Основные требования, предъявляемые к органическим топливам.
2. Определение энергетического топлива
3. Классификация топлив то способу получения.
4. Классификация твердых топлив то размеру кусков.
5. Бурые угли.
6. Каменные угли.
7. Классификация каменных углей.
8. Торф.
9. Сланцы.
10. Мазут.
11. Природный газ.
12. Минеральные примеси топлива.
13. Балласт топлива.
14. Зола топлива.
15. Влага топлива.
16. Выход летучих и свойства кокса.
17. Понятие условного топлива.
18. Высшая и низшая теплота сгорания топлива.
19. Закон Гесса.
20. Способы определения теплоты сгорания топлив.
21. Теоретически необходимое количество воздуха.
22. Коэффициент избытка воздуха.
23. Состав продуктов сгорания топлива.
24. Энтальпия продуктов сгорания.
25. Построение Н, t – диаграммы.
26. Определение адиабатной и теоретической температуры горения с помощ ью Н, t –
диаграммы.
27. В чем отличие теоретической температуры горения от адиабатной.
10. Контрольные задачи, вынесенные на самостоятельную проработку.
Дано: Состав газообразного топлива, коэффициент избытка воздуха (см. табл.).
Найти:
1. Низшую теплоту сгорания топлива Qнр (кДж/м3);
2. Теоретически необходимое количество воздуха V0, м3/м3;
3. Действительное количество воздуха Vв, м3/м3;
4. Теоретический объем продуктов сгорания V0Г, м3/м3;
5. Общий объем продуктов сгорания VГ, м3/м3;
6. Построить Н, t – диаграмму в диапазоне температур 0-2500 оС;
7. По Н, t – диаграмме определить адиабатную температуру горения.
20
Вариант
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Газопровод
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
1,07
1,08
1,09
1,1
1,11
Саратов – Москва
Ставрополь – Москва
Дашава – Киев
Шеболинка – Харьков
Газли – Коган
Карадаг – Тбилиси
Бухара – Урал
Средняя Азия – Центр
Игрим – Нижний Тагил
Оренбург - Совхозное
СО 2
0,8
0,5
0,2
0,1
0,2
0,2
0,4
0,6
0,7
СН 4
84,5
91,2
98,9
92,8
95,4
93,9
94,9
93,8
95,9
92,5
С2Н6
3,8
3,9
0,3
3,9
2,6
3,1
3,2
3,6
1,9
4,1
Состав, %
С3Н8
С 4 Н 10
1,9
0,9
1,2
0,5
0,1
0,1
1,0
0,4
0,3
0,2
1,1
0,3
0,4
0,1
0,7
0,2
0,5
0,3
1,9
0,6
С 5 Н 12
0,3
0,1
0,3
0,2
0,1
0,1
0,4
0,1
-
N2
7,8
2,6
0,4
1,5
1,1
1,3
0,9
0,7
1,3
0,2
12. Список использованной литературы:
1. Хзмалян Д.М. Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. Учебное пособие
для студентов ВУЗов. М., «Энергия». 1976 г.
2. Ионин А.А. Газоснабжение. Учебник для ВУЗов. М., Стройиздат, 1989 г.
3. Баскаков А.П. Теплотехника. Учебник для ВУЗов. М., Энергоатомиздат, 1991 г.
4. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Справочное пособие. Л., Недра,
1987 г.