Тема 3. Процеси спалювання та їх апаратна реалізація
1. Фізико-хімічні основи процесу спалювання (процес горіння)
Під час горіння палива температура продуктів згорання підвищується до температури спалювання, що визначається енергією палива. Для обчислення температури горіння можна використовувати ентальпію продуктів згорання, а також ентальпію палива або повітря, оскільки тепловий баланс повинен виконуватись у всіх випадках. Кількість тепла, що виділяється при згоранні певної кількості палива WF з теплотою згорання НС, дорівнює:
(172)
Ця кількість тепла має дорівнювати кількості тепла, необхідного для підвищення температури потоків палива і повітря WA до температури горіння:
(173)
де сF і сА – середні питомі теплоємності палива і повітря; tF i tA – початкові температури палива і повітря.
Для забезпечення повного згорання палива вибирають певне відношення КА кількостей повітря і палива, що подаються, яке залежить від хімічного складу палива. Підставляючи КА замість виразу WA/WF, розв’яжемо рівняння (172) і (173) відносно температури горіння Т:
(174)
Рівняння (174) справедливе лише для умов згорання палива з теоретично необхідною кількістю повітря. Промислові ж топки і печі, зазвичай працюють з надлишком повітря. Вочевидь, при надлишку повітря максимально можлива температура горіння не досягається. Як видно з рівняння (174), температура повітря впливає на температуру горіння. Азот, що знаходиться в повітрі, не приймає участі в процесі горіння і діє як розчинник, знижуючи температуру горіння. При використанні кисню замість повітря коефіцієнт КА може бути зменшений приблизно в п'ять разів при тій же температурі горіння.
2. Оптимальні умови спалювання. Регулювання витрати палива і повітря
Температура горіння падає як при надлишку, так і при недостачінестачі повітря, тому її не слід використовувати як визначальний параметр процесу горіння. На практиці інтенсивність процесу горіння оцінюють за вмістом кисню в продуктах горіння. . Надлишок повітря, який необхідний для повного згорання палива, залежить від відносного вмісту горючих і негорючих компонентів в паливі,|, тобто від природи палива. . Наприклад, для повного згорання природного газу потрібно від 8% до 10% надлишку повітря (в порівнянні з розрахунковим), тобто від 1,6% до 2% надлишку кисню. Відповідно для повного згорання нафти потрібно від 10% до 15% надлишку повітря (тобто від 2% до 3% надлишку кисню); вугілля - від 18% до 25% надлишку повітря (тобто від 3,5% до 5% надлишку кисню). Збільшення надлишку повітря приводитьпризводить до зниження температури горіння, зменшуючи тим самим швидкість теплопередачі. Кількість тепла, що передається, пропорційна абсолютній температурі полум'я (показник степеня -4), , тому теплопередача буде найефективнішою при максимальній температурі горіння. Важливим є також питання розсіювання тепла в навколишнє середовище.
При регулюванні співвідношення „паливо-повітря” необхідно передбачити запобіжні засоби, що визначені правилами техніки безпеки. При недостачінестачі повітря в топці або в печі може утворитися вибухонебезпечна суміш. Тому необхідно забезпечити такі умови процесу горіння, при яких витрата палива, , що подається, ніколи не перевищувала б максимально допустимі для даних конкретних умов величини (відповідає до витраті повітря). Задані значення витрат палива і повітря зазвичай встановлюються вручнувручну. Системою регулювання передбачається автоматична зміна цих витрат з метою забезпечення подачі необхідної кількості повітря, тобто реалізацію безпечних умов перебігу процесу. Схема регулювання витрат палива і повітря наведена на рис. 43.
Рис. 43. Система автоматичного регулювання процесу згорання палива
Необхідне співвідношення витрат палива і повітря встановлюється автоматично за зміною діапазону пропорційності регулятора кисню. При нормальній роботі системи регулювання задані значення технологічних параметрів,а що надходятнадходять на регулятори витрати палива і повітря, мають бути однаковими. При зменшенні витрати повітря в порівнянні з заданим, його поточне значення прямує як завдання на регулятор витрати палива. Якщо ж витрата палива перевищує задане значення, то його поточне значення автоматично подається як завдання на регулятор витрати повітря. Таким чином, забезпечується захист промислової печі від утворення утворення в ній вибухонебезпечної суміші.