Температура горения топлива

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате сообщения им тепла, выделенного при сжигании топлива.

Различают калориметрическую, теоретическую, пирометрическую (действительную) температуры.

Калориметрической называют такую температуру, которую приобрели бы продукты полного сгорания топлива, при любом значении коэффициента избытка воздуха, при условии что все тепло, выделившееся при горении, расходуется только на повышение температуры продуктов сгорания.

, °С

- сумма произведений объемов газов составляющих продукты горения (в расчете на единицу массы или объема топлива, 1кг, 1 м³) на их среднюю теплоемкость.

Теоретическая температура, в отличии от калориметрической, учитывает эндотермические реакции диссоциации СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания. Это связано с тем, что в области высоких температур (более 1000 °С) эти реакции получают значительное развитие

,

где Q_дис – тепло диссоциации продуктов горения.

С ростом робочих температур величина Q_дис увеличивается, достигая в высокотемпературных печах 2% и более от . В практических расчетах этой поправкой зачастую пренебрегают и считают теоретическую температуру близкой к калориметрической.

Пирометрическая () – это температура, которая устанавливается в рабочем пространстве печи. Для оценки этой температуры введено понятие пирометрический коэффициент.

.

Величина этого коэффициента зависит от множества факторов: рабочей температуры печи, условий и качества смешения топлива и воздуха, давления в печи, способа сжигания топлива и др. Величина этого коэффициента колеблется в пределах .

Необходимо рассмотреть факторы влияющие на температуру горения, исходя из анализа следующей формулы

- где - физическое тепло воздуха и топлива вносимого в топку в расчете на 1 кг или 1 м­³ топлива,

- заданный коэффициент избытка воздуха,

- теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг или 1 м³ топлива.

Анализируя приведенное соотношение видно, что температура горения растет с повышением теплотворной способности топлива, температуры подогрева воздуха и топлива, с уменьшением объема продуктов сгорания. Температура горения уменьшается с увеличением коэффициента избытка воздуха.

Для поддержания максимально возможной температуры горения необходимо обеспечить полноту сжигания топлива, при оптимальном коэффициенте избытка воздуха. Существенно можно повысить температуру горения, если повысить содержание кислорода в воздухе дутья. При этом уменьшается количество балластного азота в продуктах сгорания и соответственно объем самих продуктов сгорания.

Задание №1.

Для заданного топлива определить теоретически необходимый объем воздуха, необходимый для сжигания 1 м³ газообразного топлива, объем продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при:

=1, =1,2 без подогрева воздуха и топлива;βγδεζ

при подогреве воздуха до 600 °С, 1200 °С и =1;

при подогреве топлива до 600^о С, 1200^оС и α = 1;

при повышении содержания кислорода в воздухе дутья до 30%. Начальную температуру воздуха принять равной , °С,

где N – порядковый номер студента в журнале учета.

Топливо выбирается по табл. № согласно своего порядкового номера в журнале учета.

Устройство для сжигания топлива

Устройства для сжигания топлива предназначены для обеспечения безопасной подачи топлива в камеру сжигания , превращения химической энергии топлива в тепловую с максимальной эффективностью, необходимой для осуществления технологических операций в рабочем пространстве печи. Способ сжигания топлива выбирают в зависимости от вида топлива, назначения печи и особенностей технологического процесса.

Горелочные устройства должны обеспечить:

- подвод и смешение между собой в оптимальных соотношениях топлива и воздуха;

- полноту сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи;

- образования факела заданной конфигурации и светимости в рабочем пространстве печи.

Газовые горелки

Для сжигания газообразного топлива в топочных устройствах применяются газовые горелки. В большинстве случаев топочные устройства (камеры сгорания) совмещают с камерой тепловой обработки материала.

Назначение газовой горелки – подготовка и подача газовой или газовоздушной смеси в рабочее (топочное) пространство в заданном направлении; при заданном соотношении газ-воздух; обеспечение воспламенения и горения факела при всех расчетных нагрузках с требуемой интенсивностью; создание факела необходимой длины, объема и излучательной способности; обеспечение полноты сгорания топлива.

Выполнение перечисленных функций возможно только при правильном сочетании горелок с размерами камер сгорания.

Смесеобразование в горелках реализуется следующими способами.

Внешнее смесеобразование – в топочную камеру раздельно подаются топливо и воздух, и смесеобразование происходит в объеме факела. По этому принципу работают длинно-факельные (до 15м) диффузионные горелки.

Преимущества:

- возможность высокотемпературного подогрева воздуха и газа;

- большая длина факела, что особенно важно для плавильных печей.

Недостатки:

- плохое смесеобразование в корне факела, частичная диссоциация топлива, иногда с образованием сажистого углерода;

- больше оптимального коэффициент избытка воздуха, что вызвано необходимостью минимизировать потери от химического и механического недожега;

- практическая невозможность регулирования длины факела без существенного ухудшения процесса смесеобразования и самого горения.

Применяются они в тех случаях, когда требуется распределить тепловыделение по длине рабочего пространства, например в мартеновских, стекловаренных и методических печах.

С частичным предварительным (внутренним) смесеобразованием. Часть воздуха при этом подается через горелку (первичный воздух), остальной воздух необходимый для полного сжигания топлива, подается в зону горения. В целом это горелки с переменной длиной факела, достигающей до 6 метров.

Преимущества:

- возможность регулирования длины факела и его светимости, без существенного снижения качества смешения, за счет изменения подачи первичного и вторичного воздуха;

- возможность высокотемпературного подогрева вторичного воздуха;

- уменьшение коэффициента избытка воздуха, по сравнению с предыдущим случаем, с обеспечением более полного сжигания топлива.

Горелки с полным внутренним смесеобразованием.

Это горелки инжекционные беспламенные.

Беспламенные горелки дают хорошее предварительное смешение топлива с воздухом. Необходимая полнота сгорания обеспечивается при минимальном коэффициенте избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха до оптимального влечет за собой увеличение температуры горения. Поэтому беспламенные горелки для данного вида топлива обеспечивают наивысшую температуру горения.

Беспламенные горелки применяются для сжигания газов с низкой теплотворной способностью в тех случаях, когда объём топки невелик, а также при необходимости интенсивного обогрева. Беспламенные горелки целесообразно применять при сжигании газа, не дающего светящегося пламени.

Предварительное смешение горючего газа и воздуха производится в специальных смесителях перед горелками либо в специальных камерах горелочных устройств.

Наибольшее распространение получили беспламенные инжекционные горелки Стальпроекта . Горючий газ под давлением поступает во входной патрубок 1 и с большой скоростью через сопло 3 попадает в смеситель 4 горелки. Струя газа подхватывает и увлекает за собой необходимый для горения воздух. Он подсасывается из атмосферы через кольцевую щель между воздушной шайбой 2 и смешивающей трубой 4. Газ смешивается с воздухом в месте подсоса. Окончательное перемешивание производится в смешивающей трубе, длина которой должна быть не меньше семи диаметров. В инжекционных горелках количество подсосанного воздуха пропорционально расходу, т.е. в некоторой мере осуществляется процесс саморегулирования расхода воздуха. Инжектирующая сила газовой струи является побудителем движения воздуха, что позволяет отказаться от вентилятора в сети напорных воздухопроводов к горелкам.

В горелках с внутренним смешиванием нужно следить за тем, чтобы скорость горючей смеси превышала скорость распространения пламени, т.е.

– максимальная скорость распространения пламени газо-отводящей смеси без балласта (азота и углекислого газа) для трубы диаметром d = 25 мм ;

К₁ – коэффициент учитывающий наличие в горючем газе балласта СО₂ и N₂;

К₂ и К₃ – поправочные коэффициенты учитывающие влияние диаметра трубы и предварительный подогрев смеси, определяются по номограммам [Фил. Стр.42].

К₄ – коэффициент, зависящий от неравномерной скорости газа по сечению трубы (обычно принимают равным 2)

К₀₅ – коэффициент, учитывающий изменение расхода газа к минимальному.

Факел, создаваемый такими горелками, характеризуется относительно низкой излучательной способностью К_и = min. Поэтому, в ряде случаев, создают условия для разогрева кладки, которая обладая высокой степенью черноты ε_кл = 0,7÷0,9 , увеличивает косвенную составляющую теплообмена. При этом достигается более равномерный нагрев материала, при достаточно высокой плотности теплового потока.

Устройства для сжигания жидкого топлива (форсунки)

В качестве жидкого топлива в высокотемпературных установках, как правило , используется мазут.

Мазут представляет собой остаток переработки нефти, основным горючим компонентом которого является углерод. Топливный мазут делится на шесть марок М20, 40, 60, 80, 100, 200. С повышением номера марки мазута увеличивается его вязкость, а соответственно и температура его нагрева перед сливом и распылом. Мазуты всех марок в своём составе содержат серу (0,1÷3,5).

Мазутное хозяйство промышленного предприятия довольно громоздкое и энергоёмкое. Схема его показана на рисунке . Для разгрузки цистерны с мазутом сооружаются сливные эстакады 1, оборудованные системой парового разогрева мазута. Мазут сливается с температурой 40-75˚С в зависимости от марки мазута.

Хранится мазут в специальных хранилищах ёмкостью 1000 – 5000 м³.

Подача мазута к подогревателям 7 осуществляется через фильтры грубой очистки 5 с температурой 85-95˚С. Схема подачи мазута рециркуляционная. На рециркуляцию идёт 50÷100% от расхода мазута на форсунки.

В носике форсунки могут устанавливаться завихрители, позволяющие дополнительно дробить капли.

В высокотемпературных установках используются только малосернистые марки мазута, с содержанием серы до 0,5 %.

Сжигание мазута осуществляется факельным способом с помощью форсунок.

Основные типы форсунок:

1.Механического распыла:

- прямоструйные;

- центробежные.

2. С распыливаемой средой:

- паровые;

- воздушные.

Форсунки с распыливаемой средой делятся на форсунки высокого и низкого давления

К форсункам предъявляются следующие основные требования:

- высокое качество распыла и перемешивания топлива с воздухом;

- обеспечение устойчивого горения факела заданной длины и объёма;

- надёжность в эксплуатации.

При выборе форсунок необходимо учитывать интервал времени возможной их работы, поскольку мазут редко используется, как основное топливо, из-за высокой его стоимости. Как правило, мазут используется как резервное топливо, при использовании газообразного топлива. Мазут, обладающий высокой светимостью факела, может использоваться для подсветки газообразного факела, особенно при сжигании в камерных печах низкокалорийного газа.

Форсунки механического распыла:

- Прямоструйные – дробление капель происходит за счёт кинетической энергии струи. Форма сопла разная ( суживающаяся, расширяющаяся).

Преимущество – это простота конструкции и малые габариты. Качество распыла улучшается с уменьшением диаметра проходного отверстия и увеличением начального давления Р_м = 10÷12 бар.

Недостатки: – при малом диаметре выходного отверстия низкая надёжность работы форсунок и невозможность регулировать длину факела не изменяя качество распыла.

- Центробежные форсунки представляют собой улитку с центральным отверстием. Выходное отверстие этих форсунок в 2-3 раза больше аналогичных по расходу прямоструйных форсунок, значительно больше угол раскрытия факела и соответственно меньше его длины L_ф=1,5÷3м. Хорошее качество распыла достигается при более низком давлении мазута 3-5 бар. Эти форсунки более надёжны в эксплуатации и менее энергоёмкие. Применяются они там, где требуется объёмный факел небольшой длины.

Форсунки с распыливаемой средой делят на две большие группы: низкого и высокого давления.

В форсунках низкого давления весь воздух необходимый для горения подаётся через форсунку. Этот воздух можно подогреть до 300˚С. Широкое распространение получили форсунки Стальпроекта . Давление мазута перед форсункой составляет 49÷98 кН/м², давление воздуха 2,94÷6.86 кН/м². Изменение расхода мазута через форсунку низкого давления возможно до 40%-50% максимальной её производительности без существенного снижения качества распыла. Форсунка даёт узкий факел до 2,5м. Полнота сгорания обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха .

В настоящее время многие форсунки типизированы, что позволяет их не рассчитывать, а выбирать в зависимости от производительности.

Основные характеристики форсунок Стальпроекта приведены в таблице

К недостаткам форсунки следует отнести трудности регулирования подачи воздуха.

Форсунки высокого давления с распыливаемой средой.

В данных форсунках высокого давления в качестве распылителя применяют компрессорный воздух или пар. Конструктивно эти форсунки мало зависят от среды распыления. Высокое качество распыла достигается за счёт вторичного дробления капель выходящих из мазутного сопла, высокоскоростным потоком воздуха или пара.

В зависимости от формы сопла скорость выхода распылителя может быть до или сверхкритической.

Типовой форсункой данного типа, является форсунка конструкции В.Г.Шухова .

Скорость истечения распылителя достигает 330м/с. Факел узкий, длинный, для форсунок большой производительности длиной до 7м. Расход пара 0,4-0,6 кг/(кг(мазута)), расход воздуха 0,6-0,8 кг/(кг(мазут)), избыточное давление пара до 1,0 МПа/см², воздуха до 0,5 МПа/см² .

Форсунки В.Г.Шухова изготовляются десяти типоразмеров производительностью от 3 до 400 кг/ч.

Для отопления крупных мартеновских печей могут применяться форсунки с соплом Лаваля в выходной части, что позволяет достигать скорости истечения до 800 м/с и обеспечивает мелкодисперсное распыление мазута в широком диапазоне расхода мазута 250÷2500 кг/ч. В качестве распылителя используется перегретый пар или сжатый воздух. Пар в качестве распылителя применяется там, где есть парогенератор или система испарительного охлаждения