Продукты сгорания топлива

Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газового топлива можно записать в следующем виде

4.28

Здесь V_В - объем воздуха, использованного для сжигания 1 кг (м³) топлива; V_CO2, V_SO2 и др. - объемы отдельных газов в продуктах сгорания, м³/кг (или м³/м³).

Под цифрой 1 в (4.28) объединены объемы продуктов полного окисления горючих элементов топлива. Объемы продуктов полного сгорания состоят из объема трехатомных сухих газов V_RO2

4.29

и объема водяных паров V_H2O в результате окисления водорода топлива. В составе V_RO2 всегда V_CO2>>V_SO2, поскольку содержание серы в топливах мало. Под цифрой 2 в (4.28) объединены объемы азота и кислорода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива, и водяные пары. Здесь V_N2>>V_O2 как кислород в значительной мере израсходован на окисление. Объем водяных паров V_ВП включает в себя испарившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха. Для сильновлажных бурых углей значение V_ВП соизмеримо или превышает V_CO2. Под цифрой 3 объединены объемы продуктов неполного окисления горючих элементов топлива, при этом V_CO>V_H2>V_CH4. Соотношение между объемами V_CO и V_H2 в среднем составляет 3:1. Наличие в продуктах неполного сгорания объема CH₄ говорит о грубых отклонениях режима горения от нормы.

Рассмотрим полное сгорание топлива в стехиометрических соотношениях и при условии, когда в продуктах сгорания V_CO = 0; V_H2= 0; V_CH4 = 0 и нет остаточного кислорода V_O2= 0.

Объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг (м³) топлива при условии безостаточного использования кислорода, называется теоретически необходимым объемом воздуха V⁰_В,а объем газов после сгорания - теоретическим объемом продуктов сгорания V⁰_Г

4.30

Теоретический объем сухих газов

4.31

и полный объем газов

4.32

Объем V⁰_H2O включает полный объем водяных паров в продуктах сгорания Объем V⁰_N2 состоит в основном из азота воздуха с небольшим дополнением объема азота из топлива. Для обозначения объемов, соответствующих теоретическим условиям горения, вводится индекс 0.

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания определяются составом сжигаемого топлива и приведены в табл. 4.1.

Объем сухих трехатомных газов V_RO2 в формулах (4.30) и (4.31) одинаков и не зависит от того, подан на горение теоретический объем воздуха V⁰_В или большее его количество, поскольку содержание CO₂ и SO₂ в атмосферном воздухе мало и не учитывается в расчетах. Объем других составляющих продуктов сгорания при подводе V_В > V⁰_В будет изменяться. При этом увеличение объема продуктов сгорания сверх V⁰_Г определяется только избыточным количеством воздуха ΔV_В = V_В - V⁰_В и водяными парами, содержащимися в нем:

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха из-за несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (2…3 с). Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы парового котла, действительный объем воздуха в зоне горения всегда поддерживают несколько больше теоретического. Отношение этих объемов называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

Α = VВ / VВ0

4.33

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры обозначается α_Т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает и относится по условиям горения к реакционным топливам.

Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигаются при использовании газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α_Т принимают для разных топлив в следующих пределах: для твердых α_Т = 1,15…1,25; для жидких α_Т = 1,02…1,10; для газовых α_Т = 1,05…1,10.

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых устройствах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения α_Т ведет к росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки α_Т равен его значению в горелке α_ГОР и сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными; исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель.

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через неплотности ограждения, чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла.

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов. Присосы определяются в долях от теоретически необходимого объема воздуха

4.34

где ΔV_i - объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

4.35

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Δα_Т. С учетом этого избыток воздуха в зоне горения будет составлять

4.36

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла,

4.37

состоит из объема продуктов полного сгорания топлива V⁰_Г, и объема избыточного воздуха ΔV_изб

4.38

где (α_Т - 1) - избыток воздуха в зоне горения.

Первое слагаемое в формуле (4.38) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое - вредные присосы холодного воздуха.

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом - путем определения процентного содержания RO₂=CO₂+SO₂ в сухих газах при известном для данного вида топлива максимально возможном RO₂^МАКС. Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при α = 1 и O₂ = 0)

4.39

где β_Т. - топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива,

4.40

Для различных видов топлив RO₂^МАКС составляет: для твердых топлив RO₂^МАКС = 10-20%; для мазута RO₂^МАКС = 16-17%; для природного газа RO₂^МАКС = 11-13%.

Для определения избытка воздуха используется углекислотная формула

4.41

В составе газа RO₂ определяется ручным газоанализатором либо хроматографом. Косвенным методом при сжигании твердых топлив нельзя пользоваться, когда топливо в своем составе имеет карбонаты, разлагающиеся в зоне горения с выделением СО₂ (например, сланцы).

Расчет характеристики β_Т для газового топлива, а также расчеты при совместном сжигании газа с мазутом или твердым топливом требуют пересчета объемных характеристик топлива на массовые. Так, масса 1 м³ сухого газового топлива, кг/м³,

4.42

где ρ_Г - плотность сухого обеззоленного газового топлива, кг/м³; d_Г, а _Г - влагосодержание и содержание минеральной пыли в топливе, г/м³.

Пересчет состава газового топлива на элементный состав условного твердого топлива (в процентах) производится по специальным формулам и RO₂^МАКС по (4.39) однозначно связано с топливной характеристикой β_Т. При любом незафиксированном изменении состава топлива это значение также меняется, что ведет к ошибке в определении α.

Кроме того, в реальных условиях в продуктах сгорания имеется избыточный кислород и возможен химический недожог топлива. Тогда значение RO₂^МАКСстановится переменным, и для его определения необходим полный химический анализ газов

4.43

При этом использование формулы (4.39), в которой RO₂^МАКС получено только по составу топлива, ведет к дополнительной ошибке. Поэтому указанная углекислотная формула определения α по (4.41) является приближенной. В последнее время наиболее широко контроль избытка воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. При постоянном протоке через прибор небольшой доли дымовых газов из заданного места газового тракта из них выделяется кислород, обладающий специфическими магнитными свойствами. Прибор показывает количество O₂ в процентах от объема осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

4.44

С учетом ранее сказанного объем V_С.Г = αV⁰_В, тогда

4.45

и окончательно искомый избыток воздуха

4.46a

Если в дымовых газах содержатся продукты неполного сгорания (СО, Н₂), то нельзя весь оставшийся кислород считать избыточным, часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов. Тогда формула (4.46а) примет вид

4.46б

где СО, Н₂ - процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.

Кислородная формула (4.46) точна, когда теоретические объемы воздуха и сухих газов одинаковы. Реально V⁰_С.Г > V⁰_В и определение α будет иметь небольшую ошибку, но в допустимых пределах для технических измерений при эксплуатации.

Контроль избытка воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта - в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O₂ в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха в топке технически затруднительно и неудовлетворительно по точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.