Реакции горения и материальный баланс котла

Содержание

Слайд 2

Теоретическими продуктами полного сгорания топлива являются CO2,SO2,H2O и азот воздуха N2

Теоретическими продуктами полного сгорания топлива являются CO2,SO2,H2O и азот воздуха N2

(окислением азота обычно пренебрегают).
Пользуясь уравнениями реакций окисления горючей массы топлива и её составом, можно подсчитать
теоретическое количество воздуха, – необходимое для полного сгорания топлива,
и объемы продуктов сгорания.

Лекция 4

Слайд 3

Балансы элементарных реакций позволяют рассчитать массовые расходы кислорода и продуктов реакции,

Балансы элементарных реакций позволяют рассчитать массовые расходы кислорода и продуктов реакции,

приходящиеся на единицу массы данного горючего элемента.
Деление массы газообразных реагентов на их плотность дает их объемы в нормальных (н)м3 при нормальных условиях (н.у.) : 273 К (0 оС) и 0.98⋅105 Па (760 мм рт. ст. = 1 атм)

Лекция 4

Слайд 4

Массовый баланс реакции полного горения углерода C+O2=CO2 12 кг С +

Массовый баланс реакции полного горения углерода
C+O2=CO2
12 кг С + 32 кг

О2 = 44 кг СО2
С +(32/12)О2= (44/12)СО2
С+2.67 О2 =3.67 СО2 кг/(кг С)
Объём газовых реагентов
С+ (2.67/1,429)О2 =(3.67/1,977) СО2
С+1,866 О2 = 1,86 СО2 нм3/(кг С)

Лекция 4

Слайд 5

Молярная и атомная массы реагентов и продуктов горения Лекция 4

Молярная и атомная массы реагентов и продуктов горения

Лекция 4

Слайд 6

Плотность газов при нормальных физических условиях Лекция 4

Плотность газов при нормальных физических условиях

Лекция 4

Слайд 7

Лекция 3 1 кг С + 2.66 кг (1.86 м3) О2

Лекция 3

1 кг С + 2.66 кг (1.86 м3) О2 =

3.66 кг (1.86 м3) СО2

1 кг S + 1 кг (0.7 м3) О2 = 2 кг (0.7 м3) SО2

1 кг H2 + 8 кг (5.55 м3) О2 = 9кг (11.8 м3) Н2О

(всю серу полагают органической)

Слайд 8

Лекция 4 Теоретический объем (расход) воздуха – это объем воздуха (при

Лекция 4

Теоретический объем (расход) воздуха
– это объем воздуха (при нормальных условиях),

необходимый для полного сгорания 1 кг рабочей массы твердого или жидкого топлива (м3/кг)
или
1 м3 газообразного топлива (м3/м3)
Слайд 9

Лекция 3 Теоретический объем воздуха (0,21О2+0.79N2), м3/кг Здесь предполагается, что имеющийся

Лекция 3

Теоретический объем воздуха (0,21О2+0.79N2), м3/кг
Здесь предполагается, что имеющийся в топливе

водород частично уже окислен кислородом топлива с образованием воды (Н2О = 2 кг Н2 + 16 кг О).
Поэтому в окислении кислородом воздуха нуждается только свободный водород (Нр – 0.125Ор).
kвозд = 0.033 для органич. серы, kвозд= 0.0456 для колчеданной серы, а так как вся сера в расчетах считается органической
для обеих принимают kвозд ≈ 0.033.

(Ср/100)*(1.86/0.21)

(Нрсвоб/100)*(5.55/0.21)

Формула может быть приведена к виду:

Слайд 10

Лекция 3 Теоретический объем воздуха для полного сгорания сухого газообразного топлива, м3/м3

Лекция 3

Теоретический объем воздуха для полного сгорания сухого газообразного топлива, м3/м3

Слайд 11

Условно принимается, что азот в составе как топлива, так и воздуха,

Условно принимается, что азот в составе как топлива, так и воздуха,

участвующего в горении, переходит в состав продуктов сгорания в виде молекулярного азота.

Лекция 3

Теоретический объем сухих продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг твердого/жидкого топлива в теоретически необходимом объеме воздуха, м3/кг

Слайд 12

Лекция 3 Теоретическое количество водяного пара Кроме сухих газов в состав

Лекция 3

Теоретическое количество водяного пара
Кроме сухих газов в состав продуктов сгорания

входит водяной пар, который включает в себя:
пар, образующийся в результате полного сгорания водорода топлива (как свободного, так и связанного);
пар, полученный при испарении влаги топлива;
пар, вносимый в топку с теоретическим количеством воздуха (содержание влаги в воздухе принимают обычно d = 10 г/кг = 0.01 кг/кг или 0.0161 м3/м3);
пар, используемый иногда для распыления мазута в форсунках (Gф , кг/кг).
Слайд 13

0.0161 – объём водяного пара в 1 м3 атмосферного воздуха; Лекция

0.0161 – объём водяного пара в 1 м3 атмосферного воздуха;

Лекция

3

Gф – масса пара, расходуемого на распыление мазута в паровых форсунках, кг/кг топлива.

Теоретическое количество водяного пара, м3/кг

Слайд 14

Лекция 3 складывается из объемов трёхатомных газов* теоретического количества азота и

Лекция 3

складывается из объемов
трёхатомных газов*
теоретического количества азота


и теоретического количества водяного пара

* при анализе состава продуктов сгорания концентрации трёхатомных газов CO2 и SO2 раньше измерялись совместно, что давало их суммарный объём.
трёхатомные газы наряду с парами воды ответственны за тепловое излучение от факела горящего топлива к топочным экранам.

Теоретический объем продуктов сгорания, м3/кг

Слайд 15

Скорость горения в топочной камере определяется концентрациями топлива и окислителя, а

Скорость горения в топочной камере определяется концентрациями топлива и окислителя, а

также интенсивностью их перемешивания друг с другом.
В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода их концентрации уменьшаются, и скорость горения падает.
При этом вследствие ограниченной скорости перемешивания топлива и воздуха трудно добиться полного выгорания топлива при теоретическом количестве воздуха.
Поэтому в топку всегда подаётся больше воздуха, чем теоретически необходимо.

Лекция 3

Действительные объёмы продукты сгорания. Избыток воздуха в топке

Слайд 16

Коэффициент избытка воздуха на входе в топку – это отношение количества

Коэффициент избытка воздуха на входе в топку

– это отношение количества воздухаVв

, действительно подаваемого в топку,
к его теоретически необходимому количеству V о

Лекция 4

Слайд 17

Для пылеугольных топок α т = 1.2-1.25, при этом нижний предел

Для пылеугольных топок α т = 1.2-1.25, при этом нижний предел

относится к бурым и каменным углям, а верхний – к тощим углям и антрацитам.
При размоле бурых и каменных углей в молотковых мельницах рекомендуется выбирать верхний предел, т.е. 1.25.
При жидком шлакоудалении из-за повышения температуры в топке и уменьшения присосов воздуха αт может быть снижен для однокамерных топок до 1.2,
Для двухкамерных и циклонных топок - до 1.1.
При сжигании природных газов и мазута в котлах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, αт может быть снижен до 1.05.
При сжигании древесного и альтернативных местных топлив в котлах малой мощности принимают α т = 1.2-1.3

Лекция 3

Для вновь проектируемых котлов α т выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конструкции топки

Слайд 18

Лекция 3 С другой стороны, действительный объем продуктов сгорания складывается из

Лекция 3

С другой стороны, действительный объем продуктов сгорания складывается из сухих

газов и водяных паров

Действительный объем продуктов сгорания при αт >1 больше теоретического на
объем избыточного воздуха на входе в топку (α –1)Vo
и объем водяных паров, содержащихся в избыточном воздухе, 0.0161(α – 1)Vо.
Поэтому общий действительный объем продуктов сгорания, м3/кг

Слайд 19

Действительный объем водяных паров Лекция 3 Действительный объём сухих газов

Действительный объем водяных паров

Лекция 3

Действительный объём сухих газов

Слайд 20

Лекция 3 Масса продуктов сгорания Gг (кг/кг) Согласно закону сохранение вещества

Лекция 3

Масса продуктов сгорания Gг (кг/кг)
Согласно закону сохранение вещества масса газообразных

продуктов сгорания складывается из беззольной массы топлива и массы воздуха, подаваемого для горения:
Слайд 21

Для горючих сланцев объём трёхатомных газов К – коэффициент разложения карбонатов:

Для горючих сланцев объём трёхатомных газов

К – коэффициент разложения карбонатов: при

слоевом сжигании К = 0.7, при камерном К = 1.0.

должен включать дополнительное выделение углекислоты из разложившихся карбонатов

Лекция 4

Слайд 22

Газообразное топливо – состав в об. %

Газообразное топливо – состав в об. %

Слайд 23

Объём трёхатомных газов: Объем сухих газов: Лекция 3 Теоретический объем азота:

Объём трёхатомных газов:

Объем сухих газов:

Лекция 3

Теоретический объем азота:

Теоретический объем продуктов сгорания

(α т = 1) газообразного топлива, м3/м3
Слайд 24

Лекция 3 Теоретический объём водяных паров в продуктах сгорания газообразного топлива

Лекция 3

Теоретический объём водяных паров в продуктах сгорания газообразного топлива
(пар-продукт

+ влага топлива + влага теоретич. воздуха)

– влагосодержание 1 м3 сухого газообразного топлива,
≈ 10 г/м3.

Действительный объем продуктов сгорания газа
(теор.объём + объём влажного избыт. воздуха)

Слайд 25

Часто в топочных камерах с помощью дымососа поддерживается небольшое разрежение для

Часто в топочных камерах с помощью дымососа поддерживается небольшое разрежение для

предотвращения выбросов газов в помещение котельной.
В последующих за топкой газоходах котла разрежение больше, чем в топке на величину их гидравлического сопротивления.
Через неплотности в металлической обшивке и обмуровке котла, через лазы и гляделки в газоходы, находящиеся под разрежением, подсасывается атмосферный воздух. За счет этого увеличивается объем продуктов сгорания
Современные котельные агрегаты имеют газоплотные топочные камеры и газоходы, предотвращающие подсосы воздуха α т = α ух.

Лекция 3

Определение реального коэффициента избытка воздуха по составу дымовых газов

Слайд 26

В балансовых испытаниях котла коэффициент избытка воздуха определяется с помощью газового

В балансовых испытаниях котла коэффициент избытка воздуха определяется с помощью газового

анализа проб продуктов сгорания, отбираемых из газоходов (по составу дымовых газов).
Обычно в газоанализаторах исследуется осушенный газ, т.е. определяется состав сухого газа (в % по объёму).
Коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива можно определить по концентрациям кислорода и азота в сухих газах ("азотная" формула)

Лекция 4

Слайд 27

При сжигании чистого углерода в теоретическом количестве воздуха (α = 1)

При сжигании чистого углерода в теоретическом количестве воздуха (α =

1) концентрация СО2 в сухих продуктах:
RО2 макс = СО2макс = 21 %.

Лекция 3

(в воздухе 21 % кислорода; согласно реакции горения
C + O2 = CO2
1 кмоль кислорода заменяется одним кмолем CO2 ,
т.е. весь O2 заменяется таким же объёмом CO2, поэтому конечная концентрация диоксида углерода равна исходной концентрации кислорода = 21 %).

Концентрация RО2 в сухих продуктах сгорания определяется по формуле

Слайд 28

Лекция 4 При сжигании природных топлив, в которых кроме С присутствуют

Лекция 4

При сжигании природных топлив, в которых кроме С присутствуют

другие горючие элементы (Н и S), в теоретическом количестве воздуха (α = 1) концентрация RО2 в сухих продуктах будет меньше:
где β – топливный коэффициент Бунте для твёрдого и жидкого топлива
Т.обр., для каждого топлива существует максимальное содержание RО2 , которое образуется при полном сгорании в условиях α = 1.
Слайд 29

Слайд 30

Лекция 3 По-существу, это уравнение представляет собой баланс массы кислорода: исходный

Лекция 3

По-существу, это уравнение представляет собой баланс массы кислорода: исходный кислород

в воздухе-окислителе (21%) расходуется на окисление углерода и серы (т.е. образование RO2), свободного водорода (множитель (1+β)), а избыточное количество переходит в дымовые газы (О2 – концентрация кислорода в сухих дымовых газах).

Топливный коэффициент Бунте
– величина, зависящая только от элементарного состава топлива (т.е. – характеристика топлива) и равная отношению
(объём О2 на окисление свободного водорода топлива) / (объём О2 на образование 3-атомных газов).
При полном сгорании топлива и α > 1, т.е. при наличии в газах остаточного кислорода, концентрация CO2 будет ещё меньше:

откуда следует ОБЩЕЕ (ОСНОВНОЕ) УРАВНЕНИЕ ПОЛНОГО
ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Слайд 31

Лекция 3 После подстановки значений концентраций О2 и N2 в азотную

Лекция 3

После подстановки значений концентраций О2 и N2 в азотную формулу

получаем общее выражение для определения коэффициента избытка воздуха при полном сгорании топлива

Если пренебречь коэффициентом Бунте (т.е. окислением водорода), то расчет α можно вести по приближённой формуле

Отсюда содержание кислорода и азота в сухих дымовых газах при полном сгорании топлива и α > 1

Слайд 32

Физический смысл: при полном сгорании топлива объем подаваемого для горения воздуха

Физический смысл: при полном сгорании топлива объем подаваемого для горения воздуха

приближенно равен объему сухих продуктов, а процент "лишнего" кислорода – концентрации свободного кислорода в сухих газах О2.
Тогда коэффициент избытка воздуха можно выразить как отношение объёмного содержания кислорода в воздухе, подаваемом для горения, к процентной доле "сгоревшего" кислорода.

где 21 % – содержание кислорода в исходном воздухе,
О2 , % – концентрация остаточного кислорода в сухих газах,
(21- О2), % – "сгоревший" кислород.

Лекция 3

Последнюю формулу называют "кислородной"

Слайд 33

Лекция 3

Лекция 3

Слайд 34

Лекция 4 Коэффициент Бунте для газообразных топлив

Лекция 4

Коэффициент Бунте для газообразных топлив

Слайд 35

Лекция 3 где вместо измеренной концентрации О2 в сухих газах используется

Лекция 3

где вместо измеренной концентрации О2 в сухих газах используется избыточная

концентрация кислорода, из которой исключена часть, необходимая для дожигания оставшихся горючих

При неполном сгорании топлива коэффициент избытка воздуха определяется по модифицированной азотной формуле

измеренные концентрации О2 и продуктов неполного сгорания в сухих газах

Слайд 36

Лекция 3 Отсюда Концентрация азота в сухих продуктах неполного сгорания в

Лекция 3

Отсюда

Концентрация азота в сухих продуктах неполного сгорания в пренебрежении небольшим

количеством топливного азота

ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ НЕПОЛНОГО ГОРЕНИЯ
для случая, когда в дымовых газах из продуктов неполного сгорания имеется только СО

Слайд 37

Так как концентрация свободного кислорода в продуктах сгорания О2 в основном

Так как концентрация свободного кислорода в продуктах сгорания О2 в основном

зависит от избытка воздуха, то эксплуатационный контроль за поддержанием необходимого αт в топке и за плотностью газоходов производится по измеренным значениям О2.
С этой целью применяются
автоматические кислородомеры.

Лекция 4

Слайд 38

Тesto 325 М/XL Измеряет в дымовых газах концентрации О2 и СО

Тesto 325 М/XL 

Измеряет в дымовых газах концентрации О2 и

СО
(СО с компенсацией по Н2 – только Тesto 325XL). 2 канала измерения температуры, двухдиапазонный встроенный датчик давления. Возможность распечатки данных на IR принтере.
Расчет показаний СО2 по заданному СО2 max.
Диапазон измерения: – 40 °С …+600°С ± 40(200) мбар 0…21% О2 0…4000 ppm CO

Лекция 3

Компактный анализатор дымовых газов

Слайд 39

Тesto 330-1/2 Измеряет концентрацию в дымовых газах О2 , СО, NO.

Тesto 330-1/2

Измеряет концентрацию в дымовых газах О2 , СО, NO. Имеет

встроенный дифманометр. Два канала измерения температуры. Есть возможность подключения внешнего зонда измерения атмосферного СО и утечек природного газа. Объем памяти: 200 блоков. Возможность распечатки данных на IR принтере. Измеренные и сохраненные данные можно передать для дальнейшей обработки на PC(USB-интерфейс).
Может комплектоваться различными газозаборными зондами.
Диапазон измерения: -40 °С …+1200°С ±80 мбар 0…21% О2 0…4000/8000 ppm CO 0…300(3000-опция) ppm NO 0…500 ppm CO атмосф.

Лекция 4

Слайд 40

Тesto 300 М/XL Измеряет концентрацию в дымовых газах О2, СО, NO.

Тesto 300 М/XL

Измеряет концентрацию в дымовых газах О2, СО, NO. Имеет

встроенный дифманометр. Два канала измерения температуры. Модель Тesto300XL имеет механический клапан прикрытия ячейки СО, также есть возможность подключения внешнего зонда измерения атмосферного СО и утечек природного газа. Объем памяти: 20 блоков (Тesto 300М), 100 блоков (Тesto 300XL). Возможность распечатки данных на IR принтере. Измеренные и сохраненные данные можно передать для дальнейшей обработки на PC. Может комплектоваться различными газозаборными зондами.
Диапазон измерения: -40 °С …+1200°С ±80 мБар 0…21% О2 0…8000 ppm CO 0…3000 ppm NO 0…500 ppm CO атмосф.

Лекция 4