ППУ_04

Лекция 4.

Состав и характеристики топлива судовых паровых котлов. Основы теории горения топлива.

1.Требования, предъявляемые к топливу паровых котлов. Состав котельного топлива.

Топливом называют вещества, способные в процессе сложных физико-химических превращений, определяемых термином «горение», выделять значительное количество тепловой энергии.

К топливу судовых и корабельных котлов предъявляются следующие требования:

•значительное удельное (на 1 кг топлива) тепловыделение;

•достаточная распространенность, доступность для массового применения и дешевизна;

•невысокая вязкость при обычных температурах, обеспечивающая возможность приемки топлива на судно и перекачку его в различных климатических условиях;

•безвредность продуктов сгорания для газового тракта парового котла.

Различают три основных вида топлива – твердое (уголь и угольная пыль), жидкое (мазуты, дизельное топливо) и гаообразное (природные и синтетические горючие газы).

Основным видом топлива, сжигаемым в топках судовых и корабельных котлов, является жидкое топливо: дизельное топливо и мазуты – остаточные высокосмолистые и высоковязкие продукты прямой перегонки нефти и крекинга. Достаточно редко (в основном на судахгазовозах) можно встретить КТЭУ с котлами, работающими на газовом топливе.

Всудовых паровых котлах применяются следующие марки мазутов:

•топочные мазуты марок: 20, 40, 60, 80 и 100 – ГОСТ 10585-63;

•флотские мазуты марок: Ф-5, Ф-12 и Ф-20 – ГОСТ 10585-63,

которые имеют меньшую вязкость, более низкую температуру застывания и меньшее содержание серы, золы, воды, механических примесей и смолистых веществ по сравнению с топочными мазутами;

По химическому составу мазут представляет собой смесь различных жидких и твердых органических и неорганических соединений, в которых

в связанном виде находятся следующие вещества:
углерод	– С;	ряд других элементов: ванадий	– V ;
водород	– H ;	натрий	– Na ;
сера	– S ;	калий	– K ;
кислород	– O ;	негорючие вещества: зола	– A ;
азот	– N ;	вода	– W .

1

Элементарный состав топлива принято выражать следующим соотношением:

C + H + S +O + N + A +W =100 %

Рабочей массой топлива называют такой состав, в каком оно подается

в топку котла:

C P + H P + S P + O P + N P + A P + W P = 100 %

горючие элементы

внутренний балласт – эти вещества не принимают участия в процессе горения.

внешний балласт – эти вещества попадают в топливо при его транспортировке и хранении.

Исключив из рабочей массы воду, получаем сухую массу топлива:

C С + H С + S С + O С + N С + A С = 100 %

Исключив из сухой массы золу, получаем горючую массу топлива:

C Г + H Г + S Г + O Г + N Г = 100 %

Процентное соотношение составных частей мазутов и энергия, выделяющаяся при горении веществ показаны в таблице:

	Примерное		Количество тепла,		Количество тепла,
		Принимается	выделяющего при		выделяющего при
	содержание в
		при расчетах	сжигании своб.		сжигании элемента в
	мазутах
			элемента		составе соединений
C P	82 – 86 %	84,42 %	34,1	МДж/кг	32,8 МДж/кг
H P	10,5 – 11,5 %	11,47 %	138,3	МДж/кг	103,1 МДж/кг
S P	0,5 – 4,5 %	0,8 %	9,3	МДж/кг	–
O P	0,3 – 0,5 %	0,7 %		–	–
N P	0,2 – 0,3 %	0,21 %		–	–
A P	0,1 – 0,2 %	0,4 %		–	–
W P	0,5 – 3,0 %	2,0 %		–	–

Углерод – СР – является основным горючим элементом любого органического топлива. Содержание углерода в мазутах обычно составляет 82 ÷ 86 %. Углерод находится в топливе в виде соединений с Н, S и O. На разрыв связей соединений затрачивается определенное количество энергии, поэтому теплота, образующаяся при сгорании 1 кг углерода в соединениях отличается от теплоты, образующейся при сжигании 1 кг чистого углерода.

2

Водород – НР – является важным горючим элементом, содержание которого значительно повышает теплоту сгорания топлива. В мазутах содержится до 10 ÷ 12 % водорода.

Сера – SР – относится к вредным составляющим топлива. Теплота сгорания серы в 3,5 раза меньше, чем у углерода, поэтому повышенное ее содержание в топливе понижает общую теплоту сгорания топлива.

Сера может находиться в топливе в виде:

-органической (или горючей) серы – входящей в состав органических соединений и составляющей горючую массу серы. Эта сера при горении образует соединения SO2 и SO3;

-негорючей серы – входящей в состав топлива в виде сульфатов CaSO4 и MgSO4, и при сжигании топлива переходящей в золу – АР.

-	Все мазуты, в зависимости от содержания серы, делятся на:
	малосернистые	–	SР < 0,8 %;
-	сернистые	–	SР = 0,8 ÷ 2,0 %;
-	высокосернистые	–	SР > 2,0 % (до 4,5 %).

Повышенное содержание серы способствует загрязнению поверхностей нагрева котла, усилению коррозии в районе газохода с температурами ниже точки росы паров серной кислоты (160 оС). При этом концентрация паров серной кислоты тем выше, чем выше коэффициент избытка воздуха.

Кислород – ОР – при сгорании тепла не выделяет, а вступая в соединения с горючими элементами, окисляет их и понижает общую тепловую ценность топлива.

Азот – NP – является инертным элементом, не участвующим в реакциях горения. Наличие его в топливе несколько уменьшает содержание горючих элементов.

Зола – АР – представляет собой негорючую минеральную часть топлива, остающуюся после выгорания всех горючих элементов. Наличие и образование золы приводит к серьезным затруднениям при эксплуатации паровых котлов: отложения золы на стенках поверхностей нагрева снижают КПД котлоагрегата, а содержащаяся в золе пятиокись ванадия – V2O5 – вызывает высокотемпературную коррозию котельного металла.

Повышенное содержание золы в топливе (особенно в сернистых сортах) способствует загряхнению поверхностей нагрева и усилению коррозии труб пароперегревателей при температурах газов выше 500 оС (высокотемпературная ванадиевая коррозия). Скорость коррозии увеличивается с увеличением коэффициента избытка воздуха.

Вода – WP – понижает тепловую ценность топлива, так как на ее испарение затрачивается определенная часть теплоты (удельная теплота парообразования). Обводнение топлива (содержание воды более 2 %) вызывает нарушение режима горения факела (пульсации и даже затухание

3

факела), приводит к усиленному загрязнению поверхностей нагрева и усилению коррозии.

2. Основные характеристики котельного топлива.

Теплотой сгорания (теплотворной способностью) топлива называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива.

При горении топлива различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива:

Высшей теплотой сгорания топлива QВР называется количество

теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива с последующим охлаждением продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и использовании этой теплоты для нагрева.

Низшей теплотой сгорания топлива QНР называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива без использования теплоты конденсации водяных паров.

Поскольку газы, покидающие газоход котла, имеют температуру выше температуры конденсации водяных паров, то при расчетах паровых котлов пользуются только низшей теплотой сгорания топлива.

Соотношение между QВР и QНР выражается формулой:

Р	Р		9Н	Р	+W	Р
QН	= QВ	− 2510		100

где: 2510 – удельная теплота парообразования [кДж/кг] (для 1 кг водяного пара).

Эксплуатационные свойства мазутов определяются рядом физико-

химических характеристик:

Вязкость – [оВУ]: является одной из важнейших характеристик жидкого топлива, определяющих его транспортабельность. Чем меньше вязкость мазута, поступающего к форсункам, тем лучше его распыливание.

Условной вязкостью называется отношение времени истечения 200 мл топлива, имеющего заданную температуру, через калиброванное отверстие ко времени истечения 200 мл воды при 20 оС.

Вязкость принята в качестве основного показателя при маркировке мазутов. Так, мазуты различных марок имеют условную вязкость, измеренную при 50 оС:

4

Ф-5	– 5 оВУ;	М-40 – 40 оВУ;
Ф-12	– 12 оВУ;	М-60 – 60 оВУ;

Ф-20 – 20 оВУ; М-80 – 80 оВУ и т.д.

Хороший распыл мазута возможен при вязкости не более 2 оВУ. Низкая вязкость топлива (ниже 2,0 – 2,5 оВУ) приводит к следующим отрицательным последствиям:

-ухудшается процесс горения топлива, происходит неполное горение и, как следствие, снижение экономичности котельной установки;

-может вызвать вибрацию и заклинивание гидравлических частей топливных насосов;

-повышает утечки топлива через зазоры и сальниковые уплотнения;

-снижает спецификационную производительность топливных насосов;

-вызывает усиленное коксообразование на поверхностях нагрева котла;

-вызывает дымление, вибрацию фронтов котла.

Таким образом, рабочая температура топлива перед форсунками должна выбираться в зависимости от известной исходной характеристики вязкости конкретного топлива, из расчета получения вязкости перед форсунками 2 оВУ. Отсюда следует, что перед подачей мазута на топочные устройства паровых котлов его необходимо предварительно подогревать. Температура подогрева определяется в зависимости от марки мазута

по номограмме ВТИ, которая обычно приводится в инструкции по техническому обслуживанию котла. Для флотских мазутов температура подогрева равна: Ф-5 – 60 оС ; Ф-12 – 80 оС ; Ф-20 – 90 оС .

В то же время высокая температура подогрева топлива также приводит к некоторым отрицательным последствиям: коксообразованию в подогревателях топлива, трубопроводах и форсунках; прерывистости горения из-за образования паровых пробок в топливном трубопроводе.

Поддержание заданной температуры подогрева в пределах ±10 оС обеспечивает нормальное протекание топочного процесса.

Плотность d420

( ρ420 ) – представляет собой отношение массы

топлива в данном объеме при температуре 20 оС к массе воды в том же объеме при температуре 4 оС.

5

Значение плотности топлива необходимо для учета его количества. Плотность мазута зависит от состава исходного сырья, методов его обработки, и косвенно характеризует химический состав топлива.

Величина d420 для мазутов колеблется в пределах 0,88 ÷ 1,03.

Плотность мазута также необходимо знать для расчетов распыливающих устройств.

Теплоемкость мазута находится в пределах 1,67 ÷ 2,1 кДж/(кгּоС) и

может быть определена по эмпирической формуле:

сТЛ =1,738 +0,00251 tТЛ

Температура застывания– это такая температура, при которой топливо теряет свою подвижность.

Температурой застывания называют температуру, при которой испытываемое топливо загустевает до такой степени, что при наклоне пробирки под углом 45 о его уровень остается неизменным в течение 1 минуты.

Температура застывания характеризует прекращение возможности перекачки топлива. Топливо, имеющее высокую температуру застывания, необходимо подогревать при перекачке и расходовании.

Температура застывания зависит от исходного сырья и способа получения топлива.

Температура вспышки– это минимальная температура, при которой смесь паров нагреваемого топлива и воздуха вспыхивает при соприкосновении с открытым пламенем. При этом само жидкое топливо не должно загораться. Температура вспышки характеризует легкость зажигания топлива и степень его огнеопасности. Предельную температуру подогрева топлива рекомендуется устанавливать на 10-20 оС ниже темепературы вспышки, если топливная система открытого типа. В герметичных топливных системах, работающих под давлением, допускается увеличивать температуру подогрева выше этой величины, но следует учитывать пожароопасность при прорыве прокладок и разливе топлива.

Температура воспламенения – это температура, при которой топливо после вспышки горит длительное время (не менее 5 сек).

Температура воспламенения обычно превышает температуру вспышки на

15 ÷ 20 оС.

Содержание воды. Вода является вредным компонентом, так как снижает тепловую ценность топлива и ухудшает условия его сгорания. Дополнительно необходимо учитывать затраты тепла на испарение воды, содержащейся в топливе, и перегрев пара. Содержание 1 % воды в мазуте уменьшает теплоту его сгорания на ~ 460,1 кДж/кг. При значительном содержании воды в топливе возможны срывы и затухания факела и резкие

6

перепады давлений в топке, что приводит к разрушению отдельных конструктивных элементов котла. Если в топливо попадает морская вода, она способствует выпадению в осадок твердых смолистых веществ в топливных цистернах.

Содержание механических примесей. Механические примеси обычно состоят из песка, глины и мельчайших частиц железа. Они загрязняют фильтры, вызывают износ гидравлических частей насосов и топливной аппаратуры при неисправности топливных фильтров.

Зольность – содержание в мазуте твердых негорючих веществ, которые в процессе сгорания образуют золу.

При сгорании топлива золообразующие минералы вызывают образование различных химических соединений (натриевых, ванадиевых, кремнистых, сульфатных и др.), которые находясь в потоке газа в расплавленном виде, образуют зольные отложения на поверхностях нагрева.

Основным свойством золы является ее плавкость. В зависимости от температуры плавления различают золу:

-	тугоплавкую	–	tПЛ	> 1400 оС, представляющую собой
-	рыхлую сыпучую массу, легко удаляемую с поверхностей нагрева;
	среднеплавкую	–	tПЛ	≈ 1200 ÷ 1400 оС;
-	легкоплавкую	–	tПЛ	< 800 оС, образующую сплошные

плотные трудноудаляемые отложения в виде стеклообразной массы.

Минеральные вещества, составляющие золу, являются балластом топлива и вредны по следующим причинам:

-зола, скапливаясь у корней трубок, при бездействии котла впитывает влагу и способствует развитию стояночной коррозии котла;

-отложения золы на трубах поверхностей вызывает ухудшение теплообмена и снижение КПД котла;

-в высоконапорных котлах зола способствует эрозионному разрушению лопаток газовой турбины;

-отложения золы на трубах пароперегревателя могут стать источником возникновения высокотемпературной ванадиевой коррозии.

3.Основы теории горения топлива

Процессом горения называется реакция соединения вещества с кислородом, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением.

В результате процесса горения скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Для успешного проведения процесса горения необходимо создать определенные условия.

7

Горение топлива производится в атмосферном воздухе, который содержит:

-в объемном соотношении ~ 21 % O2 и ~ 79 % N2 (включая ряд других газов и примесей);

-в весовом соотношении 23,2 % O2 и 76,8 % N2.

Поэтому в продуктах сгорания всегда присутствует азот, а при горении топлива с избытком воздуха – кислород.

Стехиометрические уравнения реакций горения топлива

В процессе горения принимают участие только горючие составные части топлива. При этом происходят следующие химические процессы:

	1)	Реакция горения углерода:
	С		+ О2	= СО2	– молярные соотношения
	12 кг		32 кг	44 кг
	1 кг		2,67 кг	3,67 кг	– весовые соотношения
	2С		+ О2	= 2СО	аналогичные
	2СО		+ О2	= 2СО2
					молярные, весовые а
	2)	Реакция горения водорода:			так же объемные
					соотношения можно
	2Н		+ О2	= 2Н2О	написать для
					реакций горения
	3)	Реакция горения серы:			остальных горючих
	S		+ О2	= SО2	элементов

Приведенные стехиометрические уравнения являются итоговым результатом и не отражают всей сложности механизма реакции горения.

Горение топлива может быть полным – с образованием негорючих продуктов (СО2, Н2О и SО2) и неполным, когда в составе продуктов сгорания присутствуют CO, CH4, H2 и углеводороды CmHn.

Обычно показателем неполного сгорания топлива является присутствие в продуктах сгорания топлива окиси углерода – СО.

Теоретическое и действительное количество воздуха:

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, может быть рассчитано из стехиометрических уравнений горения.

8

Количество кислорода, необходимое для сгорания 1 кг мазута, за вычетом кислорода, содержащегося в самом топливе, определяется по формуле:

V 0 =1,866		CP	+0,7	S P	+5,6 H P	−	OP
O2	100		100		100		100ρO2

Учитывая, что в воздухе содержится ~ 21 % кислорода, получим теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг мазута:

		0
	V 0 =	VO2		=0,0889 (C P +0,375S P )+0,265H P −0,0333OP
		0,21

Обычно величина V 0 может быть оценена с достаточной точностью по эмпирической формуле:

V 0 =0,262 QHP 1000

Действительное количество воздуха, необходимого для сжигания

1кг топлива, всегда больше теоретического. Отношение действительного подведенного количества воздуха к теоретически необходимому для сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха:

	α =		V
		V 0
На практике это значение может достигать:
-	для главных котлов			– α = 1,1 ÷1,2
-	для современных котлоагрегатов			– α = 1,03 ÷1,05
-	для вспомогательных котлов			– α =1,2 ÷2,0

Коэффициент избытка воздуха зависит от ряда факторов:

совершенства организации топочного процесса, аэродинамических характеристик топки, качества распыливания топлива, рода топлива и т.д.

Снижение коэффициента избытка воздуха всегда приводит к неполноте сгорания топлива, что в свою очередь способствует уносу частичек топлива вместе с дымовыми газами и снижает КПД котла. Повышение α приводит к затратам тепла (и топлива) на нагревание «лишнего» воздуха, поступающего в топку котла и также снижает КПД котлоагрегата.

Внешними признаками качественного горения топлива являются:

-оптимальное для данной нагрузки котла соотношение «топливо – воздух» при бездымном горении;

-равномерное горение без взрывов, хлопков, вибраций фронта котла;

-отсутствие в дымовых газах СО и соответствие значения СО2 значению в формуляре котла;

-отсутствие коксования топлива на кирпичной кладке и поверхностях нагрева;

9

- отсутствие догорания топлива в газоходах.

Оценка качества горения только по отсутствию дымления может привести к грубым ошибкам, так как бездымное горение может быть реализовано в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха от 1,2 до 2 и более. Косвенно судить о качестве процесса горения можно по цвету пламени. При нормальном горении топлива цвет факела должен быть яркого соломенно-желтого или светло-оранжевого цвета. Красный или темно-оранжевый цвет факела с появляющимися темными полосами и черным дымом из дымовой трубы говорит о низком значении коэффициента избытка воздуха, ярко-белый цвет факела с отдельными искрами и появлением белого дыма из дымовой трубы означает избыток подаваемого воздуха.

При теплотехнических испытаниях котла, проводимых с целью определения его показателей, всегда определяют коэффициент избытка воздуха по результатам анализа дымовых газов. При этом обычно пользуются следующими формулами:

α =

1

;

α =

21,8

;

α =

1

1 −3,76

O −0,5CO

21,8 −O2

+

CO

1 −

79O

2

2

100

−(RO2 +O2 )−CO

2

21N2

где: RO2 ,O2 ,CO, N2 – процентные содержания соответственно: трехатомных газов (RO2, CO2 и аналогичных), кислорода, окиси углерода и азота в продуктах сгорания, определяемые с помощью газоанализаторов при работе котла. Определение суммарной концентрации трехатомных газов происходит из-за того, что газоанализатор не может определять концентрации этих газов по отдельности, а показывает суммарную их концентрацию.

Для определения коэффициента избытка воздуха по последней формуле необходимо сначала определить содержание в сухих газах RO2 и O2 , а содержание N2 находят как N2 =100 −(RO2 +O2 ).

При эксплуатации котла для определения коэффициента избытка воздуха можно пользоваться приближенной формулой:

α = 15 RO2

Энтальпия продуктов сгорания.

В топке парового котла при сжигании топлива выделяется тепло, которое передается продуктам сгорания и идет на повышение их температуры. При движении продуктов сгорания через поверхности нагрева происходит процесс передачи тепла от газов к воде и пару. При этом температура продуктов сгорания уменьшается.

Тепловое состояние продуктов сгорания характеризуется их энтальпией, которая является основным параметром тепловых эффектов в процессах подвода и отвода теплоты.

10