75 группа 2 вариант / ГТ и ПГУ / Книги / Общая энергетика. Часть 1

сухой, горючей и т.п. Как и при указании состава, для обозначе-

ния теплоты сгорания той или иной массы топлива пользуются верхними индексами: Qр, Qс, Qг и т.п.

Теплота сгорания твердого и жидкого топлив определяется калориметрическим способом или принимается из таблиц. Теплота сгорания называется высшей Qв, если она включает в себя теплоту конденсации QH2O водяного пара, входящего в состав

продукта сгорания.

В подавляющем большинстве технологических процессов, связанных со сжиганием топлива, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу при таких температурах, при которых водяные пары практически полностью остаются в газовой фазе. Поэтому тепловой эффект сжигания топлива получается меньше высшей теплоты сгорания на величину QH2O.

Разность Qâ Qí 2î Qí носит название низшей теплоты сго-

рания топлива. Для определения низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива в кДж/кг может быть использована форму-

ла Д.И. Менделеева	Op Sp 25W p .
QP 339Cp 1030Hp 109		(3.6)
н

Высшая теплота сгорания пересчитывается на низшую по

формулам, кДж/кг,
Qр Qр		225Hр 25W р ,	(3.7)
н	в
Qс Qс 225Hс ,			(3.8)
н	в
Qг Qг 225Нг .			(3.9)
	н	в

Связь между низшей теплотой сгорания рабочей массы топлива и низшей теплотой сгорания сухой и горючей масс топлива определяется по формулам, кДж/кг,

QP Qс

100 W p

25W P ,

(3.10)

н

н

100

QC QP 25W P

100

,

(3.11)

100 W P

н

н

QP

Qг

100 AP W P

25W P ,

(3.12)

н

н

100

Qг QP 25W P

100

.

(3.13)

100 AP

W P

н

н

Если известна низшая теплота сгорания рабочей массы топлива при одной влажности, то при изменении влажности тепло-

61

та сгорания определяется по формуле, кДж/кг,
QP	QP	25W P	100	W2P	25W P .	(3.14)
				W P
н2	н1	1 100			2
				1

При изменении рабочей влажности и зольности топлива новая низшая теплота сгорания может быть определена по формуле, кДж/кг,

QP	QP	25W P	100	A2P W2P		25W P . (3.15)
				AP W P
н2	н1	1 100				2
				1	1

При определении высшей теплоты сгорания сухой или горючей массы топлива при известной высшей теплоте сгорания рабочей массы топлива используют зависимости, кДж/кг,

	Qс Qр		100	,		(3.16)
			100 W P
	в	в
	Qг QP		100		.	(3.17)
			100 W P	AP
	в	в

3.3.2. Приведенные характеристики топлива

При сравнении работающих установок по экономичности и другим показателям удобно пользоваться относительными характеристиками топлива, такими, например, как условное топливо и приведенные влажность и зольность.

Теплота сгорания различных топлив колеблется в широких пределах, что часто затрудняет проведение расчетов, например, при сравнении удельных расходов топлива и норм расхода на 1 кВт/ч на единицу продукции и т.п.

Для облегчения таких задач введено понятие условного топлива с низшей теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг), что отвечает теплоте сгорания хорошего каменного угля. Для перевода любого топлива в условное необходимо низшую рабочую теплоту сгорания разделить на 29,33 (или 7000); частное от деления называют тепловым эквивалентом топлива Э;

QP

Э н . (3.18)

Qусл

Содержание балласта (влаги, золы и серы) топлива не является достаточным показателем его энергетической ценности, так как топлива с одинаковым содержанием влаги или золы часто имеют разную теплоту сгорания. Для сравнительной оценки количества золы, влаги и серы, содержащихся в топливе, предло-

62

жены приведенные характеристики топлива, кг·%/МДж, в которых содержание балласта отнесено к 1000 ккал или 4,19 МДж, а Qнр выражены в МДж/кг:

Wпр = 4,19 Wр / Q нр		,	(3.19)
Aпр = 4,19	Aр / Q нр	,	(3.20)
Sпр = 4,19	Sр / Q нр .		(3.21)

При сжигании двух топлив теплота сгорания смеси находится по формуле, кДж/кг,

QP	QP	q	Qс	1 q	,	(3.22)
н.см	н1	1	н2	1

где коэффициент q1 показывает массовую долю одного из топлив в топливной смеси.

3.4. Классификация энергетических топлив

Энергетическим топливом называют органическое топливо, которое используется для выработки электрической и тепловой энергии и которое технически невозможно или экономически нецелесообразно использовать для переработки в химической, металлургической и других отраслях народного хозяйства. В природе имеются большие запасы этого топлива.

К энергетическим топливам относятся: торф, сланцы, бурые угли, некоксующиеся каменные угли, антрацитовый штыб, мазуты, природный горючий газ чисто газовых месторождений и искусственные газы: доменный, коксовый, конверторный, крекинг, подземной газификации углей и др. Представителями энергетических топлив являются и так называемые местные топлива, которые из-за низкой теплотворной способности нерентабельно перевозить на дальние расстояния и поэтому они сжигаются непосредственно у места добычи. Критерием целесообразности использования органического топлива в энергетике является либо качество топлива, либо цены на различные виды топлив в месте сжигания (из нескольких видов топлива, добываемых или доставляемых в данное место, сжигается наиболее дешевое).

Ископаемые угли разделяются на бурые, каменные и антрациты. Каменные угли имеют теплоту сгорания влажной беззольной массы более 24 000 кДж/кг и выход летучих веществ более 9 %. Антрацит относится к старейшим по происхождению каменным углям, отличается большой твердостью, трудно загорается, хорошо выдерживает перегрузки и перевозки. К антрацитам относятся угли с выходом летучих на горючую массу Vг = 2 – 9 %.

63

Бурые угли характеризуются высшей теплотой сгорания влажной беззольной массы менее 24 000 кДж/кг. Бурый уголь содержит много влаги, легко соединяется с кислородом воздуха и при длительном хранении на воздухе сильно выветривается и рассыпается в порошок. Кроме того, он способен самовозгораться. По влажности бурые угли делятся на группы, которые приведены в табл.3.2.

Таблица 3.2. Группы бурых углей

Группа	Содержание влаги в рабочей массе топлива, %
Б1	Более 40
Б2	30 – 40
Б3	Менее 30

По своей структуре бурые угли характеризуются повышенным содержанием балласта и очень высокой гигроскопичностью, вследствие чего влажность бурых углей Wр = 17 – 55 %. Бурые угли не спекаются, отличаются большим вылетом летучих веществ (Vг = 33,5 – 58,5 %) на горючую массу и зольностью на сухую массу (Ас = 10,5 – 34 %), высоким содержанием серы (Sр = 0,6 – 5,9 %). Рабочая теплота сгорания бурых углей

Qнр = 10,7 – 17,5 МДж/кг.

3.5. Горение органического топлива

Горение – экзотермическая окислительно-восстановительная реакция топлива с окислителем (кислородом воздуха и др.), сопровождающаяся выделением теплоты и света. Различают гомогенное горение, протекающее в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии (например, горение газа в воздухе), и гетерогенное, происходящее на поверхности раздела фаз, когда топливо и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях (например, горение твердых и жидких топлив).

Процесс может идти с различной скоростью: от медленного до мгновенного окисления горючих элементов во всем объеме топлива. Примером медленного горения является самовоспламенение твердого топлива при хранении его на складе без соприкосновения с пламенем. Мгновенное окисление представляет собой взрыв. В энергетических установках практическое значение имеет скорость реакции, при которой происходит устойчи-

64

вое горение с постоянной во времени концентрацией топлива и окислителя (воздуха). Такой процесс горения осуществляется, например, в двигателе внутреннего сгорания или в топочной камере парового котла. При нарушении соотношения между концентрациями топлива и воздуха, например при избытке воздуха (бедная смесь) или топлива (богатая смесь), скорость реакции снижается, и вследствие этого уменьшается тепловыделение на единицу объема. Существуют нижний и верхний пределы концентрации топлива, вне которых горение становится невозможным.

Максимальное тепловыделение в процессе горения происходит при определенных соотношениях масс элементов исходных веществ, вступающих в реакцию горения. Эти соотношения называют стехиометрическими. В качестве примера приводятся стехиометрические соотношения для основных горючих элементов твердого (жидкого) топлива в единицах массы, а для газов – в единицах объема.

3.5.1.Теоретический расход воздуха на горение

При горении топлива горючие элементы взаимодействуют с кислородом и образуют окислы CO2, SO2 и H2O. Так как окисление идет в основном за счет кислорода, содержащегося в воздухе (21 %), то в продуктах сгорания содержится кроме указанных окислов азот, входящий в состав воздуха.

Если при полном сгорании топлива прореагирует весь поданный с воздухом кислород, то имеющееся при этом соотношение кислорода и топлива называется стехиометрическим, а количество поданного воздуха Vо – теоретически необходимым для горения. Величина Vо при сжигании твердого и жидкого топлив измеряется в м3/кг и показывает, сколько м3 воздуха необходимо для сжигания 1 кг топлива, а при сжигании газообразного топлива величина Vо показывает количество в м3 воздуха необходи-

мого для сжигания одного м3 газообразного топлива и измеряется в м3 /м3.

Необходимое для полного сгорания топлива количество кислорода определяется из стехиометрических уравнений горения 1 моля каждого горючего компонента топлива.

Для углерода это уравнение будет иметь вид:
С + O2 = CO2,	(3.23)
12 кг C + 32 кг O2 = 44 кг CO2.
1 кг C + 2,67 О2 = 3,67 СО2 .	(3.24)

65

Для серы можно записать
S + O2 = SO2,	(3.25)
1 кг S + 1 кг O2 = 2 кг SO2,
Для водорода соответственно
2H2 + O2 = 2H2O,	(3.26)
1 кг H2 + 8 кг O2 = 9 кг H2О.

Следовательно, для полного сжигания 1 кг углерода требуется 2,67 кг кислорода, для сжигания 1 кг серы – 1 кг кислорода, а для сжигания 1 кг водорода – 8 кг кислорода.

Суммарная потребность кислорода для сжигания 1 кг рабочей массы твердого и жидкого топлив с учетом кислорода, имеющегося в самом топливе, кг/кг,

Lo	2,67CP / 100 8HP / 100 SР / 100 ОР / 100 .	(3.27)
O	л
2

Теоретически необходимый для горения объем кислорода определяется после подстановки в (3.27) плотности кислорода

О	2	= 1,429		кг/м3:
			1/ 2 2,67CP / 100 8HP / 100 SлР / 100 ОР / 100 ,
		VOо			(3.28)
		2
	VOо		0,7	2,67CP / 100 8HP / 100 SлР / 100 ОР / 100 .	(3.29)
		2

С учетом того, что в воздухе содержится 21 % кислорода по объему, получим формулу для определения количества теоре-

тически необходимого воздуха, м3/кг,
VOо 100 / 21 0,7 2,67CP / 100 8HP / 100 SлР / 100 ОР / 100 , (3.30)
2
V о	0,0889 CP 0,35SР 0,265НР 0,0333ОР .	(3.31)
O	л
2
В массовом выражении, кг/кг,
	Lo 0,115 CP 0,375SлР 0,342НР 0,0431ОР .	(3.32)

Для газообразных топлив V o определяется как сумма теоретически необходимых количеств воздуха, нужных для полного сжигания горючих компонентов, м3/м3:

V o 0,0476 [ 0,5COтл 0,5Hтл 1,5H2Sтл ( m mn )CmНnтл O2тл ] , (3.33)

где COтл , H2тл , H2Sтл , CmHnтл , O2тл – процентное содержание соот-

ветствующих компонентов в газообразном топливе, которые приведены в таблице расчетных характеристик газообразных топлив.

66

3.5.2. Теоретические объемы продуктов сгорания

При полном сгорании топлива образуются только продукты полного окисления горючих элементов – СО2, SО2, H2О и азот воздуха N2.

Теоретический объем продуктов сгорания, м3/кг,

V о V	V о	V о	.	(3.34)
г RO	N	H O
2	2	2

Суммарный теоретический объем трехатомных газов СО2 и
SО2 обозначен символом RO2, м3/кг:
VRO	VCO	VSO .	(3.35)
2	2	2

Эта величина определяется из уравнений горения и для

твердых и жидких топлив

1

11

Cp

1

2Sр

V

л

.

(3.36)

CO

SO

RO

3

100

100

2

2

2

Учитывая, что

1,96кг / м3

, получим выражение

CO

2

СР 0,375Sр .

V

1,866 / 100

(3.37)

RO

л

2

Теоретический объем азота

V

о ,

м3/кг, обусловлен азотом, вхо-

N2

дящим в теоретически необходимое для горения количество воздуха, и азотом топлива.

	V о	0,79V о			0,8Nр / 100 ,	(3.38)
	N
	2
где 0,8 1/	, а		N	1,25	кг/м3.
N
2			2

Теоретический объем водяных паров, м3/кг, для твердых и

жидких топлив
VO	V Н	VW V B			.	(3.39)
Н О	Н О	Н О	Н О
2	2	2	2
Здесь объем водяных паров при сжигании водорода
V Н	9HP / 100 о			0,111HP .		(3.40)
Н О		H O
2			2
Объем водяных паров за счет испарения рабочей влаги
Vw	W P / 100 о		0,0124W P .			(3.41)
Н О		H O
2		2

Объем водяных паров с атмосферной влагой в теоретиче-

ском объеме воздуха
		V B	V o d / o		H O	0,0161V o ,	(3.42)
		Н О	В
		2			2
где	в	, Ho O ,d – плотность сухого воздуха, плотность водяного
		2
пара		и влагосодержание		воздуха соответственно			(обычно

d = 0,01 кг водяных паров на 1 кг воздуха).

67

В результате общее выражение для определения теоретического объема водяных паров имеет вид, м3/кг,

V Н	0,111HP 0,0124W P 0,0161V 0 .	(3.43)
Н О
2

Объем продуктов сгорания газообразного топлива рассчитывается по стехиометрическим уравнениям горения отдельных горючих компонентов аналогично расчету объемов продуктов сгорания при сжигании твердых и жидких топлив.

Выражение для определения теоретического объема трех-

атомных газов имеет вид, м3/м3,
V	0,01 COт COт H Sт mC Hт . (3.44)
RO	2	2	m	о
2
Теоретический	объем азота	определяется	из	выражения,
м3/м3,
	V о 0,79V о Nт / 100 .			(3.45)
	N	2
	2

Теоретический объем водяных паров, м3/м3,

VH2O 0,01(H2Sт H2т n2 CmHnт 0,124dг.тл ) 0,0161V о , (3.46)

где dг.тл – влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа (г/м3).

3.5.3. Действительные объемы продуктов сгорания

Для осуществления полного сгорания топлива в топку подают количество воздуха Vд, которое всегда больше теоретически необходимого Vо. Тогда

V / V о	т	,	(3.47)
д

где т – коэффициент избытка воздуха в топке котла.

Процесс горения заканчивается, как правило, в топке, поэтому объем трехатомных газов не изменяется по всему тракту дымовых газов. Избыточное количество воздуха приводит к увели-

чению в продуктах сгорания объема водяных паров на величинуVH2O , м3/кг или м3/м3,

V		0,0161(			т	1)V о ,	(3.48)
Н О
	2
и появлению в них избыточного воздуха Vв, м3/кг или м3/м3,
V			т	1 V о .			(3.49)
B

Таким образом, действительный объем продуктов сгорания на выходе из топки определяется при известной величине ко-

эффициента т по формулам, м3/кг или м3/м3,
V	V о 1,0161(	т	1)V о ,	(3.50)
г	г

68

V V	V о	V		т	1 V о .	(3.51)
г RO	N	H O
2	2	2

Объем водяных паров при коэффициенте избытка воздуха

т > 1 определяется по соотношению
V	V о	0,0161	т	1 V о .	(3.52)
H O	H O
2	2

3.6. Определение коэффициента избытка воздуха

На работающем паровом котле коэффициент избытка воздуха можно определить по составу продуктов сгорания. Учитывая, что объем трехатомных газов в продуктах сгорания не зависит от коэффициента избытка воздуха, можно записать:

макс	VСГ / 100		О			О	/ 100.	(3.53)
RO2			RO2 VСГ		1 V

Если принять, что VСГО ≈ VО, можно получить приближенную углекислотную формулу для определения коэффициента избытка воздуха:

ROмакс / RO .			(3.54)
	2	2
Точная углекислотная формула:
79 / RO2	/ 79 / RO2макс .		(3.55)
Значения можно	определить	по результатам	газового

анализа продуктов сгорания. В простейшем случае, если содержанием азота в топке пренебречь и считать, что концентрация азота в продуктах сгорания равна 79%, при наличии в продуктах сгорания свободного кислорода коэффициент избытка воздуха можно определить по приближенной кислородной формуле

21/ 21 О2 .

(3.56)

При учете изменения в продуктах сгорания содержания азота для случая полного сгорания может быть получена точная кислородная формула для определения

	1/				/ N2		,	(3.57)
		1		79 / 21 О2

где N2=100 – (RO2+О2).

3.7. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания

Энтальпию продуктов сгорания определяют для объемов газов, полученных при сгорании 1 кг или 1 м3 твердого, жидкого или газообразного топлива и обозначают через J, кДж/кг или кДж/м3. Так как теплоемкости газов различны, то энтальпии компонентов дымовых газов подсчитываются отдельно. Энтальпия

69

продуктов сгорания при сжигании жидкого, газообразного и малозольного твердого топлива J, кДж/кг или кДж/м3, является суммой физической теплоты трехатомных газов (RO2), двухатомных газов (N2) и водяных паров (H2O).

При коэффициенте избытка воздуха = 1 энтальпия продук-

тов сгорания определяется по уравнению, кДж/кг,
		Jо V		C	V о	C	V о C		,	(3.58)
		Г	RO	RO	N	N	H O H O
			2	2	2	2	2	2
где CRO	, CN	, CH O	– теплоемкости соответствующих газов, кото-
2	2	2

рые принимается из таблиц в зависимости от температуры, кДж/(м3·К); – температура продуктов сгорания.

Энтальпия дымовых газов при коэффициенте избытка возду-

ха > 1 составляет, кДж/кг,
J	г	Jо 1 Jо .		(3.59)
		г	в

В уравнении (3.54) энтальпия теоретического объема воздуха

находится из выражения, кДж/кг,
Jо V o C		t	в	,	(3.60)
в	вл.воз

где Свл.воз – теплоемкость влажного воздуха; tв – температура воздуха.

При сжигании твердых топлив с высокой зольностью для расчета энтальпии продуктов сгорания сначала определяют значе-

ние приведенной зольности топлива, %/(кДж/кг):
Апр = 1000 AP а	/ Qр .	(3.61)
ун	н

Если Апр больше 1,4, то при определении энтальпии продуктов сгорания учитывают величину физической теплоты золы

Jз, кДж/кг:
J	( Aр a	C	t	з	) / 100	,	(3.62)
3	ун	3

где Сз – теплоемкость золы; tз – температура золы; аун – доля золы, уносимой через газоходы котла; Qнр – низшая теплота сго-

рания топлива, кДж/кг.

С учетом величины физической теплоты золы энтальпия

продуктов сгорания определяется по формуле
Jо V		C	V о	C	V	C	a C AP / 100 . (3.63)
Г	RO RO		N N		H O H O		ун 3
	2	2	2	2	2	2

Значения энтальпий продуктов сгорания применяются при тепловых расчетах котлов и другого оборудования, в котором происходит сжигание топлива.

70