Топливо и процессы его горения

Топливо - горючие вещества, предназначенные для получения теплоты в промышленном масштабе. Оно бывает природное и искусственное, твердое (каменный уголь, антрацит, кокс, дрова), жидкое (нефть, мазут, бензин), органическое, ядерное и газообразное (природный газ, генераторный, доменный газы). Органическое топливо состоит из следующих основных химических элементов: углерода С, водорода Н, серы S, кислорода О, азота N, минеральных примесей (золы) А и влаги W.

Состав топлива по элементарному содержанию выражается формулой

C^p + H^p + O^p + N^p + S^p_л + А^р + W^p = 100% (3.1)

где индексом р отмечается рабочее топливо.

Горючими элементами топлива являются углерод С, водород Н и летучая сера S_л.

Углерод С является основной горючей частью топлива. Удельная теплота сгорания углерода – 33,65 МДж/кг. Содержание С в топливе 50 - 93%.

Водород Н также является горючей частью топлива. Удельная теплота сгорания – 142 МДж/кг, содержание Н в топливе 2 – 10%.

Сера S, входящее в состав топлива, разделяется на 3 разновидности: серо колчеданная S_к, серо органическая S_о и серо сульфатная S_c. Первые две разновидности принято называть летучей серой S^p_л.

С^р_л + S^p_o = S^p_л (3.2)

Эта сера является горючей частью топлива. Её теплота сгорания равна 9,5 МДж/кг, общее содержание в топливе 2 – 15%.

Сера сульфатная в горении не участвует и переходит в золу.

Сера относится к вредным примесям топлива, т.к. продукты её сгорания SO₂ и SO₃ вызывают коррозию аппаратуры и загрязняют атмосферу.

Кислород и азот являются негорючей частью топлива и составляют внутренний балласт топлива.

Зола – твердый негорючий остаток, получаемый при сгорании топлива. Она состоит из химических соединений: S_iO₂, Al₂O₃, FeO, CaO.

Содержание золы в топливе колеблется от 0,3% в мазуте, до 5-25% в каменных углях и до 40-60% в горючих сланцах.

Влага является балластной примесью и уменьшает теплотворную способность топлива. Одной из важнейших характеристик топлива является её теплотворная способность, т.е. количество теплоты, выделяемое при сгорании 1 кг топлива.

Различают высшую и низшую теплотворную способность.

Высшей теплотворной способностью Q^p_в называется теплота сгорания, которая определяется без учета расхода теплоты на испарение влаги топлива.

Низшей теплотворной способностью Q^p_н называется теплота сгорания, определяемая с учетом расхода теплоты на испарение влаги W.

Низшую теплотворную способность можно определить по приближенной формуле Менделеева

Q^p_н = 0,3390^р + 1,03Н^р – 0,109(О^р – S^p_л) – 0,025 W^p. (3.3)

Для сопоставления между собой различных видов топлива пользуются понятием «условное топливо», под которым подразумевают топливо с теплотворной способностью Q^p_н = Q_ус = 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг). Перерасчет натурального топлива в условное осуществляется по формуле

В_ус = В. , (3.4)

где В – расход натурального топлива.

Процесс горения топлива

Процесс горения топлива – это процесс химического соединения горючих элементов топлива с кислородом воздуха. Конечными продуктами сгорания топлива являются дымовые газы и зола.

Необходимый теоретический расход воздуха для реакций окисления горючих элементов топлива

C + O₂ = CO₂,

2H₂ + O₂ = 2H₂O,

S + O₂ = SO₂

определяется по формуле:

l₀ = 0,115 C^p + 0,345 H^p + 0,043(S^p_л - O^p) _{кг топлива}^{кг воздуха.} (3.5)

Различают полное горение, при котором происходит реакции полного окисления горючих компонентов топлива, и неполного горения, когда указанные реакции не завершены.

В практических условиях при теоретическом расходе воздуха полного сгорания топлива достичь не удается вследствие несовершенства процесса смесеобразования. Поэтому процесс ведут с некоторым избытком воздуха. Отношение действительного расхода воздуха V_в к теоретически необходимому V₀ называется коэффициентом избытка воздуха,

a = V_в / V₀.

Величина a зависит от вида топлива, способа сжигания, топливной конструкции топки и лежит в интервале a = 1,05 – 1,15.

Котельные установки.

Котельные установки предназначены для получения пара заданного давления и температуры.

На рис.3.1. представлена схема котельной установки. Она состоит из колоагрегата, представляющего собой барабан 2 с водяными экранами 3, размещенными внутри топки 1, опускными циркуляционными трубами коллекторами 4. Вода, нагреваемая в экранных трубах, поднимается по ним в барабан 2, а по опускным трубам опускается вниз к коллекторам 4, образуя таким образом циркуляционный контур. В барабане котла пар отделяется от кипящей воды и в результате образуется насыщенный пар, который затем поступает в пароперегреватель 6, где образуется перегретый пар, направляемый потребителю. Дымовые газы из топки 1, пройдя пароперегреватель 6, поступают в экономайзер 7, где нагревают питательную воду котла. Затем дымовые газы поступают в воздухоподогреватель с помощью вентилятора 10. Охлажденные дымовые газы дымососом 12 направляются в дымовую трубу. Питательная вода котла подается питательным насосом 11, подогревается в теплообменнике 9, а затем дополнительно нагреваясь в экономайзере 7, направляется в барабан котла 2.

Паровые котлы подразделяются на котлы малой, средней и большой теплопроизводительности. Котлы малой теплопроизводительности имеют производительность до 10 т пара в час при давлении пара 0,9 – 1,4 МПа; средней производительности 10 -75 т/час с Р до МПа и большой производительности – свыше 75 т/час с Р до 25,5 МПа

Водоподготовка. Чтобы котельные агрегаты работали надежно и экономично, необходимо обеспечить безнакипный режим работы котла. С этой целью проводится специальная обработка питательной воды.

Естественная вода содержит примеси, часть которых находится в растворенном состоянии (соли натрия, кальция, магния и газы), а часть – в нерастворённом состоянии – песок, глина, коллоидные примеси.

Рис. 3.1-Схема котельной установки;

1 – топка; 2 – барабан котла; 3 – экранные трубы;

4 – коллектор; 5 – опускные циркуляционные трубы;

6 – пароперегреватель; 7 – водяной экономайзер;

8 – воздухонагреватель; 9 – теплообменник; 10 – вентилятор; 11 – питательный насос; 12 – дымосос.

Растворенные соли Са и Mg характеризуют её жесткость. Накапливаясь в котловой воде по мере её испарения, соли жесткости осаждаются на поверхностях котлов в виде плотного осадка – накипи, которые ухудшают теплопередачу и могут привести к прогоранию труб. Для обработки питательной воды применяются следующие процессы: осветление, умягчение, дегазация.

Осветление воды проводит в отстойниках и фильтрах. В воду добавляют специальные реактивы – коагулянты, которые укрупняют мелкодисперсные и коллоидные частицы, улучшая их осаждение и фильтрование воды. В качестве коагулянтов используют сульфаты алюминия и железа.

Умягчение воды. При этом способе из воды удаляют ионы кальция и магния. Умягчение воды проводят термическим (нагреванием до 85 – 100 ^оС) или химическим методами. Одним из химических методов является катионный обмен, в основе которого лежит способность твердых веществ – катионов извлекать из воды ионы Са⁺⁺ и Mg⁺⁺.

Дегазация питательной воды. Растворенные в питательной воде кислород и другие агрессивные газы удаляются из воды, преимущественно, термическим способом. Дегазация воды осуществляется в специальном аппарате – деаэраторе, где питательная вода нагревается до температуры кипения и разбрызгивается на мелкие струйки с целью облегчения газовыделения.

Газотурбинные установки.

Газотурбинные установки(ГТУ) применяются для привода насосов и компрессоров на магистральных нефте- и газопроводах, в турбореактивных двигателях самолетов, приводов судов и т.д. Газотурбинные установки обладают малыми габаритами и массой, могут работать на жидком и газообразном топливе, что обеспечило их широкое применение в технике.

На рис.3.3 представлена схема газотурбинной установки. Воздух засасывается компрессором 3 и сжимается, затем поступает в теплообменник 5, где нагревается за счет тепла отходящих газов. Нагретый воздух подается в камеру сгорания 1, куда поступает топливо. Продукты сгорания поступают в газовую турбину, приводя во вращение рессор 3 и генератор электрического тока 4. Отработанные газы, пройдя теплообменник 5, выбрасывают в атмосферу.

Мощность турбины зависит от разности температур газа на входе в турбину Т₁ и на выходе из нее Т₂. Удельная работа l одного кг газа, прошедшего через лопатки турбины равна

l=С_Р(T₁ – T₂) _e, (3.6)

где С_р – изобарная теплоемкость, ;

_e - Кпд установки ( _e =0,1-0,3);

Рис.3.2-Схема газотурбинной установки:

1- камера сгорания; 2- турбина; 3- компрессор; 4- генератор; 5- теплообменник

Турбореактивные двигатели.

Широкое применение турбореактивные двигатели нашли в авиации. На рис. 3.4. показана схема турбореактивного двигателя. В нем газовая турбина 4 приводит во вращение осевой компрессор 2. В диффузоре 1 используется скоростной напор набегающего воздуха для повышения давления перл компрессором.

Компрессор 2 сжимает воздух и подает его в камеру сгорания 3. Продукты сгорания направляются в газовую турбину 4, где газы частично расширяются, совершая работу. На выходе из турбины газы расширяются в сопле 5, создавая реактивную тягу самолета. Турбореактивные двигатели отличаются компактностью, легкостью, большой мощностью, которая достигает 30000 КВт.

1- диффузор; 2- компрессор; 3- камера сгорания; 4- газовая турбина; 5- сопло.

Рис. 3.3-Схема турбореактивного двигателя

Холодильные машины

Холодильная машина – устройство для отвода теплоты от охлаждаемого тела, температура которого должна быть ниже, чем температура окружающей среды. Холодильные машины используются для получения температур от 10 до -150⁰ С.Область более низких температур относится к криогенной технике. Холодильные машины отнимают теплоту от охлаждаемого тела и передают охлаждающей среде (воде или окружающему воздуху) с затратой энергии.

Применяются несколько типов холодильных машин:

- воздушные холодильные машины;

- паровые компрессорные холодильные машины;

- абсорбционные холодильные машины.

Воздушная холодильная машина. Хладагентом в ней служит воздух. Принцип ее действия заключается в следующем. Воздух из охлаждаемой камеры 3 засасывается компрессором 1, где подвергается адиабатическому сжатию. Сжатый воздух поступает затем в теплообменник 2, где охлаждается водой. Далее воздух направляется в расширительную машину – детандер 4, где расширяется и производит полезную работу. Температура воздуха при расширении снижается до -60…-70⁰ С. Охлажденный воздух затем поступает в холодильную камеру 3, где отнимает тепло от охлаждаемого тела.

Холодильный коэффициент теоретического цикла воздушной холодильной машины равен

, (3.7)

где q₁ - количество теплоты, отнимаемого от охлаждаемого тела, ;

q₂ - количество теплоты, передаваемое охлаждающей воде, .

Рис.3.4-Схема воздушной холодильной машины

Паровая компрессорная холодильная машина. Рабочим телом такой машины являются низкокипящие тела: аммиак, фреоны и др. При атмосферном давлении температура их кипения ниже 0⁰ С. Компрессор 1 сжимает пары рабочего тела, которые затем поступают в конденсатор 2, где отдают теплоту при постоянном давлении. Пары при этом конденсируются, превращаясь в жидкость за счет охлаждения водой. Далее жидкость проходит через дроссельный клапан 4, где расширяясь, превращается в пар. Затем рабочее тело виде пара поступает в охлаждаемую камеру 3 (испаритель), где при постоянных давлении и температуре насыщенный пар превращается в нагретый, отнимая теплоту от охлаждаемого тела. Далее пар подается в компрессор и цикл повторяется.

Холодильный коэффициент машины равен

. (3.8)

где q₂ – количество теплоты, отнимаемое от охлаждающего тела, ;

l – затраченная работа, ;

i₁ и i₂ – энтальпия рабочего тела на входе и выходе из компрессора, ;

i - энтальпия рабочего тела на входе в испаритель, .

Рис.3.5-Схема паровой компрессорной холодильной машины

Паровая компрессорная холодильная машина имеет более высокий КПД, чем воздушная.

Абсорбционная холодильная машина. В основу принципа действия абсорбционной холодильной машины положено свойство растворов изменять температуру кипения в зависимости от концентрации. В этих машинах в качестве рабочего тела используется водно-аммиачный раствор, температура которого снижается с повышением концентрации аммиака в растворе (рис.3.12.).

Абсорбционная холодильная машина работает следующим образом. Пары аммиака из генератора 1 сжижаются в конденсаторе 2 и через редукционный вентиль 3 поступают в испаритель 4, находящийся в охлаждаемой камере. При дросселировании давление паров падает от р_к до давления в испарителе р_х, а температура снижается от t₁ до t₄. Рабочее тело при этом переходит в газожидкостное состояние, отнимая теплоту Q_x.

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – редукционный вентиль;

4 – испаритель; 5 – абсорбер; 6 – насос.

Рис.3.6-Схема абсорбционной холодильной машины

Образовавшиеся в испарителе пары аммиака направляются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водно-аммиачным раствором. Здесь использовано свойство слабого аммиачного раствора поглощать холодные пары аммиака. В абсорбер 5 из генератора 1 поступает слабый раствор аммиака, который по мере поглощения паров NH₃ понижает свою концентрацию, а также давление паров р_х и температуру t₅. Насыщенный раствор аммиака насосом 6 перекачивается в генератор 1. В генераторе 1, благодаря подводу извне теплоты Q_ген, происходит кипение раствора при давлении р_к с выделением почти чистого аммиака NH₃. По мере отгонки аммиака раствор обедняется и отводится через редукционный вентиль в абсорбер 5. Выделенные пары аммиака поступают в конденсатор 2, где сжижаются путем отвода теплоты Q_k. Перекачивающий насос 6 повышает давление раствора от Р_х до Р_к. Теплота растворения аммиака в абсорбере Q_a отводится охлаждающей водой или воздухом.

Эффективность работы абсорбционной холодильной установки оценивается коэффициентом использования тепла

, (3.9)

где q_x – холодопроизводительность, т. е. тепло, отбираемое в испарителе;

q₁ – количество тепла, подведенное греющим паром в генераторе;

q_H – затраты тепла на работу насоса.

Абсорбционная холодильная машина имеет ряд преимуществ, благодаря которым они получили широкое распространение: простота обслуживания, невысокая стоимость, возможность использования отработанного тепла. К недостаткам относятся низкий КПД, большой расход воды.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: