18. Горение топлива. Гомогенные и гетерогенные реакции. Диффузионное и кинетическое горение. Энергия активации. Механизмы

Горение топлива – сложный физикохим. пр-сс окисления горючих компонентов, сопровождаемый выделением теплоты и света. Большинство пр-ссов горения представляют собой соединение горючих компонентов с О₂ воздуха. При хим. превращениях происходит разрыв молекулярных связей с образованием новых связей и молекул. Число атомов при хим. реакциях не меняется, а лишь происходит их перегруппировка. Энергия, необходимая для разрыва существующих связей и начала хим. реакции – энергия активации. Инициирование волны хим. реакции – это приведение в действие механизма, переводящего скрытую хим. энергию реакции компонентов в тепло. Отсюда можно выделить несколько видов зажигания топлива: 1). Эл. искра; 2). Лазерный пробой в газе; 3). Путем контакта горючей смеси с нагретым телом; 4). Путем смешивания с горячими продуктами сгорания; 5). Внесение в газовую смесь активных хим. центров. Действие этих инициаторов горения основано на 2-х способах: повышение температуры газа; развитие цепного разветвления в реакции горения. Механизм горения – при тепловом механизме распространения пламени, тепло, выделившееся при хим реакции передается в соседние участки непрореагировавшей газовой смеси, нагревай и инициируя дальнейшую реакцию. При распространении пламени реакция идет в каждый момент времени в относительно тонком слое – зона реакции. В непосредственной близости от зоны реакции происходит разогрев несгоревшей смеси, за зоной реакции остаются продукты реакции. Виды горения:1) Гетерогенное – реакция между веществами, находящимися в разных фазовых состояниях (горение тв. и жидк. топлива) 2) Гомогенное – реакция между веществами, находящимися в одном фазовом состоянии с окислителем (горение газа) При сжигании топлива важно знать время, за которое произойдет полное сгорание, т.к. от него зависит производительность котлоагрегата (чем быстрее, тем выше производительность) Полное время сгорания топлива состоит из 2-х составляющих:а) диффузионная – время, затраченное на подвод окислителя к горючемуб) кинетическая – время на саму реакцию горения. Для снижения диффузионной составляющей тв топлива необходимо уменьшить гранулы; для жидкого – разбиение основной струи на отдельные струи, распыление на капли; для газа – закрутка потока, организация пульсации или детонации. Для снижения кинетической составляющей – правильная организация процесса сжигания, верное соотношение топливо-окислитель, повышение температуры сжигания топлива. Механизмы горения топлива:1) Газовое топливо. Горение газового топлива – окисление исходной газо-воздушной смеси и разложение на компоненты. Основная характеристика горения газа – скорость нормального (по нормали к фронту) распространения пламени. Массовая скорость горения – масса смеси, соприкасающаяся в единицу времени на единицу поверхности фронта пламени. При горении газа в трубе свежая газовая смесь, как более тяжолое в-во по сравнению с продуктами сгорания растекается по нижней части трубы, а более легкие продукты сгорания стремятся вверх, следовательно фронт пламени искривлен. Различают 2 вида форм движения пламени: ламинарное и турбулентное.При турбулентной форме движения фронт пламени может разрываться на отдельные зоны, на отдельные части горящего газа и продукты сгорания, создавая отдельные очаги пламени. 2) Жидкое топливо. Горение жидкого топлива – горение каждой капли. При сжигание жидкого топлива основной поток горючего за счет форсунки разбивается на ряд струй, которые закручиваются, но не перемешиваются. Далее эти струи распыляются на отдельные капли, попадают в топочное пространство с высокой температурой, испаряются, образуя летучее в-во, которое сгорает. При этом последней догорает коксовая частица, минеральные примеси оседают на стенках экранов хвостовой поверхности нагрева. 3) Твердое топливо. Тверд. топливо попадает в топочную камеру, в которой большая температура, при этом атомы О₂ адсорбируются на поверхности топлива и при термическом воздействии реагируют с углеродом топлива, идет реакция образования СО и СО₂. При высоких температурах может идти реакция восстановления. При термическом разложении топлива из него выделяются летучие в-ва, образуется газо-воздушная смесь, которая сгорает, отдавая тепло топочной камере, а также непрореагировавшему топливу

19. Расчёт процессов горения топлива. Определение теоретического и действительного объемов воздуха и продуктов сгорания. Коэффициент В ходе расчетов определяются следующие показатели:1.Теплота сгорания Q_H^P для газообразных топлив в кДж/м³, для жидких и твердых топлив кДж/кг и плотность газа ρ.2.Теоретически необходимое количество воздуха, необходимое для сжатия 1м³ газа либо 1 кг топлива:

Для газов: V⁰ = 0,0476*(0,5 СО₂ + 0,5 H₂ + 1,5 H₂S + Σ (m+n/4)*C_mH_n-O₂), м³/м³ Для жидких и твердых топлив: V⁰ = 0,0889*(С^р + 0,375 S^р_ор+к) + 0,265 H^р – 0,0333 О^р м³/кг 3.Действительное количество воздуха, необходимое для сжатия 1м³ газа либо 1 кг топлива, м³/м³:V^д = V⁰×α_т, где α_т – коэффициент избытка воздуха, показывающий во сколько раз необходимо увеличить подачу воздуха в топочное пространство, α_т = 1,1 (всегда больше 1), α_т >1 так как при сжатии топлива не возможно обеспечить 100% сгорание, ввиду неполного сгорания топлива при слабом смешении топлива с окислителем и не идеальной конструкции котлоагрегата.

Коэффициент избытка воздуха зависит от:- вида топлива, - способа его сжигания, - технологии организации топливных процессов.Для газообразного топлива α_т = 1,05 – 1,3; Для жидкого топлива (мазут) α_т = 1,05 – 1,1; Для твердого топлива: при сжигании в слоевой топке α_т = 1,3 – 1,7 , в камерной топке α_т = 1,2 – 1,25.

1.Теоретический объем продуктов горения V⁰_г, м³/м³, м³/кг: V⁰_г = V_RO2 + V⁰_Н2О + V⁰_N2

2Действительный объем продуктов горения будет определяться следующим выражением: V_Г = V_RO2 + V⁰_Н2О + V⁰_N2 + (α_т – 1)∙V⁰,

Для расчёта действительного объёма продуктов горения используют следующие формулы: объем водяных паров, для газов в м³/м³, для жидких и твердых топлив м³/кг:

V⁰_Н2О = 0,01*(H₂S + H₂ + Σ (n/2)*C_mH_n) +0,0161*V⁰, м³/м³

V⁰_Н2О = 0,111*H^р + 0,124*W^р + 0,016*V⁰, м³/кг объем трехатомных газов: для газообразных топлив в м³/м³, для жидких и твердых топлив м³/кг: V_RO2 = 0,01*(СО₂ + СО + H₂S + Σ m*C_mH_n), м³/м³

V_RO2 = 1,866*(С^р + 0,375 S^р)/100, м³/кг

объем паров азота: для газообразных топлив в м³/м³, для жидких и твердых топлив м³/кг:

V⁰_N2 = 0,79*V⁰ + 0,01*N₂, м³/м³ V⁰_N2 = 0,79*V⁰ + 0,8*N^р, м³/кг где C_mH_n – углеводороды, входящие в состав газа, %. Определение КПД котлоагрегата, %: η_ка = 100 – (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆), где: q₂ – потери теплоты с уходящими газами %, q₂ = [(H_ух – α_ух* H⁰_хв)_*(100 - q₄)]/ Q_H^P; Н – энтальпии уходящих из топки газов и воздуха подаваемого в топку; q₃ – потери теплоты с хим. недожогом, для газа 0,5%, для мазута 0,82%; q₄ – потери теплоты с механическим недожогом q₅ – потери теплоты через ограждающие конструкции КА, принимаются 1,7; q₆ - потери теплоты со шлаком, для газа и мазута 0 %. Таким образом, видно, что коэффициент избытка воздуха влияет на КПД котлоагрегата за счет q₂ = [(H_ух – α_ух* H⁰_хв)_*(100 - q₄)]/ Q_H^P. При чем больше α_ух тем меньше q₂ и тем больше КПД котлоагрегата.

20. Топочные устройства котельных агрегатов. Виды топок, особенности работы и конструкции, применяемое топливо. Топки: - слоевые;-камерные; - циклонные; - топки с кипящим слоем;- топки со специализированным назначением(сжигание бытю мусора, отходов произ-ва) По виду сжигаемого топлива: 1 тв. Топливо, 2 жид, 3 газообразное, 4комбинированные. По разположению относительно поверхности нагрева: 1внутренние 2нижние(внешние) 3выносные

1 .Ручные слоевые топки: схема топки .

1-передняя (бортовая) стена котла;2-задняя стена котла; 3-боковая стена котла; 4-колосниковая решетка; 5-окно для подачи топлива; 6-окно для подачи воздуха; 7-шлаковая шапка; 8-первый ряд пучковых труб.

2Полумеханические слоевые топки-в них частично механизированы некоторые процессы.в котельных установках малой мощности получили распространение топки с подачей топлива на неподвижную колосниковую решетку с помощью ротационных забрасывателей. 3.Механические слоевые топки: бывают двух типов: 1)с цепной колосниковой решеткой 2) с шурующей планкой.:

Топки с кипящим слоем кипящий слой характеризуется скоростью воздуха, подаваемого под слой топлива, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающей скорости витания средних частиц.Все частицы в слое перемещаются, двигаясь колебательно вверх и вниз «+»: - позволяют сжигать высокозольное топливо,- коэф. Теплопередачи в 2-3 раза выше, чем в слоевых,- меньшие размеры,-меньше вредных выбрасов : - требуют высокого давления воздуха,- возможен унос части топлива,- быстрый износ металлич. Поверностей,- трудность организации и регулирования процессов.Камерные топки:представляют собой устройства, в кот. Топливо горит в объёме камеры в виде факела при отсутствии какого либо слоя топлива - пылеугольные ,(для сжигания пылевидной составляющей торфа, угля.),газомазутные

2 1. Горелочные устройства для твердого, жидкого и газообразного топлива. Виды горелок, особенности работы и конструкции. 1. Газовые горелки. Для сжигания газообразного топлива используются горелки различных типов. По давлению газа перед горелками они делятся на два основных типа - горелки низкого давления и горелки среднего давления Либо используется газ второй категории высокого давления В зависимости от конструкции горелки, используемые в котельных, бывают: 1) диффузионные н/давления и с/давления, 2) инжекционные н/давления и с/давления, 3) вихревые н/давления и с/давления.1) Диффузионные горелки – это горелки без предварительного смешения воздуха с топливом. Через горелку в топку подается газ, а воздух поступает по отдельным каналам. Примером дифф-й горелки является подовая щелевая горелка. Дост-во: 1.Простота. 2.Эти горелки дают меньший выход азота. Инжек-е горелки Устанавливаются на котлах малой производительности. Эти горелки используют энергию газовой струи для подсоса или инжектирования воздуха необходимого для горения горелки. Эти горелки при повышенной производительности имеют большие размеры. Дост-во: не требуют вентиляторов.

1-Газовое сопло, 2-Конфузор, 3-Горловина,

4-Диффузор, 5-Газовая горловина, 6-Отверстие для выдачи газо-мазутной смеси.

3

1-молотковая мельница, 2-шахта

3-эжекционное сопло, 4-амбразура

| - дробленое топливо, || - первичный воздух, ||| - вторичный воздух

) Вихревые горелки (смесительные с принудительной подачей воздуха) работают с вентилятором, который нагнетает воздух в горелку. Дост-ва: 1.Число струек может быть больше. 2.Выше производительность с периферийной подачей газа. 2. Устройства для сжигания угольной пыли. Горелочные устройства для сжигания угольной пыли делятся на: 1)Амбразуры – для сжигания топлива, размолотого в молотковых мельницах; 2)Вихревые горелки; 3)Щелевые угловые (прямоточные) горелки. 1)Амбразуры – используются в шахтно-мельничных топках

2)Вихревые горелки. Наибольшее распространение получили два типа: 1. ОРГРЭС – идет закрутка (завихрения) вторичного воздуха. 2. ТКЗ – происходит закручивание, как вторичного так и первичного воздуха. С помощью маховиков рассекатель (3) перемещается вдоль оси горелки, благодаря чему изменяется угол раскрытия факела, что приводит к возможности сжигания различных топлив. В вихревых горелка ТКЗ первичный воздух закручивает сразу, а затем вторичный.

I II 1 2

3

4

1-Канал первичного воздуха с угольной пылью, 2-Канал вторичного воздуха, закручивающийся в улитке, 3-Рассекатель аэросмеси, 4-Маховик, |. Аэросмесь, ||. Вторичный воздух.3)Щелевые угловые горелки. Такие горелки обладают большой дальнобойностью, поэтому их размещают под углом к топочной камере , т.о. чтобы их оси оказались касательными к некоторой воображаемой окружности. При этом происходит завихрения внутри самой топки. Твердые частицы вращаются до тех пор, пока полностью не выгорают. Такие горелки подходят для низко реакционных топлив, т.к. увеличено время горения топлива3. Мазутные форсункиМазутные форсунки – устройства для сжигания мазута.По способу распыления: 1)механические, 2)с распыляющей средой, 3)комбинированные 1)Механические форсунки предназначены для крупных котлов. Достоинства: экономичные, малошумные, с низким пределом регулирования. Недостатки: очень требовательны к чистоте мазута и твердым примесям.2)С распыляющей средой. 3) Комбинированные форсунки.. Достоинства: менее шумные, повышены пределы регулирования нагрузки, уменьшен удельный расход пара на распыление мазута примерно в 10 раз по сравнению с паровыми форсунками.