Реакции горения и материальный баланс котла

1.

Белорусский национальный технический университет
Кафедра ЮНЕСКО “Энергосбережение и
возобновляемые источники энергии”
Топливо и его
использование
Лекция 4.
Реакции горения и материальный баланс
котла

2.

Лекция 4
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.

3.

Лекция 4
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)
V
M

4.

Лекция 4
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)

5. Молярная и атомная массы реагентов и продуктов горения

Лекция 4
Молярная и атомная массы реагентов и продуктов
горения
Газ
М, кг/кмоль;
О2
32 = 2×16
N2
Воздух (79% N2 + 21% О2 об.)
СО2
28 = 2×14
28.8 = (0.79*28+0.21*32)
44 = 12+2×16
СО
28 = 12+16
Н2
2 = 2×1
Н2О
18 = 2×1+16
SO2
64 = 32+2×16

6. Плотность газов при нормальных физических условиях

Лекция 4
Плотность газов при нормальных
физических условиях
Газ
Кислород О2
Азот N2
Воздух (79% N2 + 21% О2 по объему,
Мвозд ≈ 29 кг/кмоль)
Двуокись углерода СО2
Плотность , кг/м3
(2×16)/22.4 = 1.429
(2×14)/22.4 = 1.257
(0.79*28+0.21*32)/22.4 = =
1.293
(12+32)/22.4 = 1.977
Окись углерода СО
Водород Н2
Водяной пар Н2О
(12+16)/22.4 = 1.250
(2×1)/22.4 = 0.089
(2×1+16)/22.4 = 0.804
Сернистый ангидрид SO2
(32+2×16)/22.4 = 2.927

7.

Лекция 3
1 кг С + 2.66 кг (1.86 м3) О2 = 3.66 кг (1.86 м3) СО2
1 кг H2 + 8 кг (5.55 м3) О2 = 9кг (11.8 м3) Н2О
1 кг S + 1 кг (0.7 м3) О2 = 2 кг (0.7 м3) SО2
(всю серу полагают органической)

8.

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)

9.

3/кг
Теоретический объем воздуха (0,21О2+0.79NЛекция
),
м
3
2
(Ср/100)*(1.86/0.21)
(Нрсвоб/100)*(5.55/0.21)
1 p
V 0.0889C 0.265( H O ) kвозд S p
8
o
p
p
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.
Формула может быть приведена к виду:
V 0.0889 C 0.375S
o
p
p
op k
0.265H
p
0.0333O
p

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

Лекция 3
Теоретический объем воздуха для полного сгорания
сухого газообразного топлива, м3/м3
0.79
N2
0.21
0.79
2
N2
0.21
3.76N2
CH 4 2O2 CO2 +2H 2O 7.52N2
n
V 0.0478 0.5(CO H 2 ) 1.5 H 2 S 2CH 4 (m )Cm H n O2
4
0

11. Теоретический объем сухих продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг твердого/жидкого топлива в теоретически

Лекция 3
Теоретический объем сухих продуктов сгорания,
образующихся при сжигании 1 кг твердого/жидкого топлива
в теоретически необходимом объеме воздуха, м3/кг
VCо
1.866 С p 0.375S p
0.79V o 0.008 N p
100
p
p
o
p
0.01866 С 0.375S 0.79V 0.008 N .
VCо VRO2 VNo2 ,
VRO2 VCO2 VSO2 0.01866 С p 0.375S p ,
o
N2
V
0.79V 0.008 N
o
p
Условно принимается, что азот в составе как топлива, так и
воздуха, участвующего в горении, переходит в состав продуктов
сгорания в виде молекулярного азота.

12.

3
Теоретическое количество водяногоЛекция
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).

13. Теоретическое количество водяного пара, м3/кг

Лекция 3
Теоретическое количество водяного пара, м3/кг
VHo2O
p
p
1 8.94 H
W
o
dV возд Gф
H 2O 100
100
0.111H 0.0124W 0.0161V 1.24Gф
p
p
0.0124 9 H W
p
p
0.0161V
o
o
1.24Gф
0.0161 – объём водяного пара в 1 м3 атмосферного воздуха;
Gф – масса пара, расходуемого на распыление мазута в
паровых форсунках, кг/кг топлива.

14. Теоретический объем продуктов сгорания, м3/кг

3
Теоретический объем продуктов сгорания,Лекция
м3/кг
складывается из объемов
трёхатомных газов*
теоретического количества азота
и теоретического количества водяного пара
V VRO2 V
о
o
N2
V
0
H 2O
* 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.

15. Действительные объёмы продукты сгорания. Избыток воздуха в топке

Действительные объёмы продукты сгорания.
Лекция 3
Избыток воздуха в топке
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.

16. Коэффициент избытка воздуха на входе в топку

Лекция 4
Коэффициент избытка воздуха
на входе в топку
– это отношение количества воздухаVв ,
действительно подаваемого в топку,
к его теоретически необходимому количеству
Vо
Vв
Т o
V
Vв ТV
o

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

Для вновь проектируемых котлов т выбирают в зависимости
Лекция 3
от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конструкции
топки
Для пылеугольных топок 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 т 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, т может быть снижен до 1.05.
При сжигании древесного и альтернативных местных
топлив в котлах малой мощности принимают т = 1.2-1.3

18.

Лекция
3
Действительный объем продуктов сгорания при
т 1
больше теоретического на
объем избыточного воздуха на входе в топку ( –1)Vo
и объем водяных паров, содержащихся в избыточном
воздухе, 0.0161( – 1)Vо.
Поэтому общий действительный объем продуктов
сгорания, м3/кг
Vг Vго 1.0161 1 V o
С другой стороны, действительный объем продуктов
сгорания складывается из сухих газов и водяных паров
Vг Vс. г . VH 2O

19. Действительный объём сухих газов

Действительный объём сухих газовЛекция 3
Vc.г. VRO2 V
VRO2
o
( 1)V
0
N2
o
0
0
V N2 0.79( 1)V 0.21( 1)V
VN 2
VO2
Действительный объем водяных паров
VH 2O V
о
H 2O
+ 0.0161 ( –1)V о

20.

Масса продуктов сгорания Gг (кг/кг)Лекция 3
Согласно закону сохранение вещества масса газообразных
продуктов сгорания складывается из беззольной массы
топлива и массы воздуха, подаваемого для горения:
p
A
o
GГ 1
1.293 V
100
Дополнительно учитывается масса "летучей
концентрация которой в продуктах сгорания, г/м3
золы",
10 A p a ун
Vг
Доля летучей золы топлива a ун , уносимой газами, для
пылеугольных топок составляет 0.65–0.95, а для других
топок и топлив принимается по таблицам.

21.

Лекция 4
Для горючих сланцев объём трёхатомных газов
должен включать дополнительное выделение углекислоты из
разложившихся карбонатов
VRO2 ,к VRO2 0.509(CO ) /100 K
p
2 k
0.01866(C 0.375S
p
p
op k
) 0.00509(CO ) K
p
2 k
К – коэффициент разложения карбонатов: при слоевом
сжигании К = 0.7, при камерном К = 1.0.
(CO2 ) kp
– содержание углекислоты карбонатов, масс. %,
задаётся в составе топлива

22. Газообразное топливо – состав в об. %

СН4 С2Н6 СЗН8 С4Н10 С5Н12 N2 С02 H2
объёмные %
Газопровод
1 Саратов-Москва
84,5
3,8
1,9
0,9
0,3
7,8 0,8
–
2 ПервомайскСторожовка
62,4
3,6
2,6
0,9
0,2
30,2 0,1
–
3 Саратов-Горький 91,9
4 Ставрополь93,8
Москва (1)
2,1
1,3
0,4
0,1
3,0 1,2
–
2,0
0,8
0,3
0,1
2,6 0,4
–
95,7
1,9
0,5
0,3
0,1
1,3
91,4
4,1
1,9
0,6
–
0,2 0,7 1,1
31 Игрим-ПунгаСеров-Нижний
Тагил
32 ОренбургСовхозное
–
0,2

23. Теоретический объем продуктов сгорания ( т = 1) газообразного топлива, м3/м3

3 1)
Теоретический объем продуктов сгоранияЛекция
( т =
газообразного топлива, м3/м3
V Vс. г. V
0
г
Объем сухих газов:
0
H 2O
Vc.г VRO2 VN02
Объём трёхатомных газов:
VRO2 0.01[CO2 CO H 2 S mCm H n ]
Теоретический объем азота:
V 0.79V 0.01N 2
0
N2
0

24.

Лекция 3
Теоретический объём водяных паров в продуктах
сгорания газообразного топлива
(пар-продукт + влага топлива + влага теоретич. воздуха)
n
0
0
VH 2O 0.01[ H 2 S H 2 ( )Cm H n 0.124d г ] 0.0161V
2
d г – влагосодержание 1 м3 сухого газообразного топлива,
≈ 10 г/м3.
Действительный объем продуктов сгорания газа
(теор.объём + объём влажного избыт. воздуха)
Vг Vс.г. V
о
Н 2О
1.0161( 1)V
V 1.0161( 1)V
о
г
о
о

25. Определение реального коэффициента избытка воздуха по составу дымовых газов

Лекция 3
Определение реального коэффициента избытка
воздуха по составу дымовых газов
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
ух т i
Современные котельные агрегаты имеют газоплотные
топочные камеры и газоходы, предотвращающие подсосы
воздуха α т = α ух.

26.

Лекция 4
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)
1
N2
N2
79 O2
79
N
3.76
O
2
2
1
N 2 O2
21 N 2
21

27.

Концентрация RО2 в сухих продуктах сгорания определяется
Лекция 3 по
формуле
RO2
VRO2
o
С.Г
V
( 1)V
o
100%
При сжигании чистого углерода в теоретическом количестве
воздуха ( = 1) концентрация СО2 в сухих продуктах:
RО2 макс = СО2макс = 21 %.
(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 %).

28.

При сжигании природных топлив, в которых кроме С
Лекция 4
присутствуют другие горючие элементы (Н и S), в
теоретическом количестве воздуха ( = 1) концентрация RО2 в
сухих продуктах будет меньше:
RO2 макс
21
% или
1
RO2 макс 1 21%,
где – топливный коэффициент Бунте для твёрдого и
жидкого топлива
2.37 H p O p / 8 0.04 N p
C 0.375 S
p
p
2.37 H p O p / 8
C p 0.375 S p
Т.обр., для каждого топлива существует максимальное
содержание RО2 , которое образуется при полном сгорании в
условиях
= 1.

29.

Топливо
Древесина
0.035
20.3
Торф
0.073
19.6
Сланцы кашпирские
0.21
17.4
Донецкий уголь Д
(длиннопламенный)
Антрацит
Мазут
0.123
18.7
0.044
0.3
20.1
16.1
Метан
0.79
11.7
RO2max

30.

Топливный коэффициент Бунте
Лекция 3
– 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 > 1, т.е. при наличии в газах
остаточного кислорода, концентрация CO2 будет ещё меньше:
21 O2
RO2
%,
1
откуда следует ОБЩЕЕ (ОСНОВНОЕ) УРАВНЕНИЕ ПОЛНОГО
ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
RO2 (1 ) O2 21%
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).

31.

Отсюда содержание кислорода и азота в сухих дымовых
Лекция 3
газах при полном сгорании топлива и > 1
O2 21 RO2 (1 ),
N 2 100 ( RO2 O2 ).
После подстановки значений концентраций О2 и N2 в
азотную формулу получаем общее выражение для определения
коэффициента избытка воздуха при полном сгорании топлива
79
RO2
.
1
79
21
Если пренебречь коэффициентом Бунте (т.е. окислением
водорода), то расчет можно вести по приближённой формуле
RO2 макс
RO2
(или
CO2 макс
СO2
21
)
.
21 O2

32.

Лекция 3
Последнюю формулу называют "кислородной"
21
,
21 O2
где 21 % – содержание кислорода в исходном воздухе,
О2 , % – концентрация остаточного кислорода в сухих газах,
(21- О2), % – "сгоревший" кислород.
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.

33.

Лекция 3
Топливо
β
RO2max
Торф
0.073
19.6
Антрацит
0.044
20.1
Мазут
0.3
16.1
Метан
0.79
11.7

34.

Лекция 4
Коэффициент Бунте для газообразных топлив
0.01N 0.79V
0.21
0.79
VRO2
Т
2
0

35.

При неполном сгорании топлива коэффициент избытка
Лекция 3
воздуха определяется по модифицированной азотной
формуле
1
,
79 O2 (0.5CO 0.5H 2 2CH 4 )
1
21
N2
где вместо измеренной концентрации О2 в сухих газах
используется избыточная концентрация кислорода, из
которой исключена часть, необходимая для дожигания
оставшихся горючих
O2 избыт O2 0.5CO 0.5 H 2 2CH 4 .
измеренные концентрации О2 и продуктов неполного
сгорания в сухих газах

36.

Лекция 3
ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ НЕПОЛНОГО ГОРЕНИЯ
для случая, когда в дымовых газах из продуктов неполного
сгорания имеется только СО
RO2 1 CO 0.605 O2 21, об.%.
Отсюда
21 RO2 ( RO2 O2 )
CO
.
0.605
21 O2 (0.605 )CO
RO2
.
1
Концентрация азота в сухих продуктах неполного сгорания в
пренебрежении небольшим количеством топливного азота
N 2 100 (CO2 SO2 O2 CO ).

37.

Лекция 4
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.

38. Компактный анализатор дымовых газов

Лекция 3
Компактный анализатор дымовых газов
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

39. Тesto 330-1/2

Лекция 4
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.

40. Тesto 300 М/XL

Лекция 4
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.

41.

Лекция
Портативный модульный газоанализатор Тesto
3503 М
Базовая версия:
- управляющий модуль,
- анализатор и
- газозаборный зонд.
Измеряет:
- О2 , СО, NO (опция), NO2 или CO2 (опция),
(максимум 4 модуля; встроенный датчик, в
зависимости от подключенных внешних зондов),
- температуру,
- дифференциальное давление.
Управляющий модуль может использоваться как
прибор для измерения:
- температуры,
- влажности,
- скорости воздуха,
- дифференциального давления,
- концентрации атмосферного CO и СО2 ,
- скорости вращения.
Имеется встроенный блок пробоподготовки.