Топливо и элементы теории горения

Кадр 1

ТОПЛИВО И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ (Раздел курса „Общая теплотехника“)

Кадр 2

Топливо объединяет в себе вещества, выделяющие в результате тех или иных образований энергию, которая может быть технически использована. В современных промышленных установках используются две группы топлива, различающиеся по принципу освобождения энергии. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО, выделяющее энергию за счет ядерных преобразований, протекающих в реакторах тепловых атомных (ядерных) электростанций. В настоящее время доля ядерной энергии доходит до 20% от всей вырабатываемой, но темпы развития ядерной энергетики быстро растут. ХИМИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО, выделяющее энергию при окислении горючих элементов, входящих в его состав. Это топливо имеет преимущественное потребление в современных теплоэнергетических установках.

Кадр 3

Основной способ освобождения химической энергии топлива — сжигание его в топках паровых котлов и камерах сгорания силовых или технологических агрегатов.

Кадр 4

Процесс горения — комплекс быстро протекающих химических реакций, сопровождающихся интенсивным выделением тепла и резким повышением температуры. Для энергетических целей используются реакции окисления горючих элементов топлива — углерода С, водорода Н и серы S кислородом воздуха.

Кадр 5

Основные виды химического топлива имеют органическое происхождение. По способу получения топлива делят на природные и искусственные (производные), а по агрегатному состоянию—на твердые, жидкие и газообразные.

Кадр 6

В состав твёрдых и жидких топлив входят различные соединения горючих элементов. По-этому состав этих топлив обозначается суммой входящих в них элементов в % от массы всего топлива. Такой состав топлива называется ЭЛЕ-МЕНТАРНЫМ. В состав топлива входят углерод С, водород Н, сера S, азот N, кислород О, а также влага W и негорючие минеральные примеси, превращающиеся при горении в золу А.

Кадр 7

Все характеристики топлива относятся к рабочей массе CP+HP+SP+OP+NP+AP+WP=100%, либо к сухой массе C+H°+S°+O°+N°+A=100%, либо к горячей массе C'+H'+S'+O'+N'=100%. Элементарный состав топлива.

Кадр 8

УГЛЕРОД—самая ценная часть топлива. При полном сгорании он выделяет 33,8 Мдж/кг. Содержится во всех видах органических топлив, составляя от 50 до 90% горючей массы. ВОДОРОД—второй ценный компонент топлива. При полном сгорании он выделяет 110 Мдж/кг. Составляет от 1,6 до 11,5% горючей массы топлива. СЕРА—может находиться в топливе в трех видах: органической S°P и кольцеванной S*, образующих горючую (или летучую) серу, а также в виде сульфатов CaSO₄ и FeSO₄, входящих в состав негорючих минеральных примесей. Сера снижает качество топлива, образуя при горении токсичные и коррозионно-опасные окислы. КИСЛОРОД и АЗОТ—внутренний балласт топлива. Снижают процентное содержание горючих элементов.

Кадр 9

Определение плавкости золы a — первоначальный вид пирамидки из золы t₁ — температура начала деформации t₂ — температура размягчения t₃ — температура начала жидкоплавкого состояния ВЛАГА и ЗОЛА — внешний балласт топлива, снижающий его качество. ЗОЛА — твердый негорючий остаток, получающийся при воздействии высоких температур на минеральные примеси топлива. Расплавившаяся в топке зола называется ШЛАКОМ. О плавкости золы судят по поведению нагреваемой пробной пирамидки из золы топлива.

Кадр 10

Важнейшая характеристика топлива — ТЕПЛОТА ЕГО СГОРАНИЯ. При полном окислении всех горючих элементов топлива и конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водорода и испарении влаги топлива, выделяется количество тепла, называемое ВЫСШЕЙ ТЕПЛОТОЙ СГОРАНИЯ Qв. Если водяные пары остаются несконденсированными, то это количество тепла называют НИЗШЕЙ ТЕПЛОТОЙ СГОРАНИЯ Qн. Для рабочей массы топлива Qн=Qв-0,0251×(9Hр+Wр), МДж/кг. Для ориентировочных расчетов можно использовать эмпирическую формулу Д. И. Менделеева Qр=0,339Cр+1,03Hр-0,109(0р-Sр)-0,0251Wр, МДж/кг.

Кадр 11

При сравнении тепловой ценности топлив и решении вопроса о замене одного топлива другим, а также составлении норм расхода топлива и планов его потребления вводится понятие об УСЛОВНОМ ТОПЛИВЕ и ТОПЛИВНЫХ ЭКВИВАЛЕНТАХ. Теплота сгорания условного топлива Qy принимается равной 29,3 МДж/кг.у.т. Калорийный топливный эквивалент Эк выражается отношением Эк = Qp / 29,3 . Топливные эквиваленты позволяют переводить количество реального топлива Вp в условное Вy и обратно при помощи соотношения Вy = Вp · Эк.

Кадр 12

При нагреве твёрдых топлив без доступа воздуха происходит их термическое разложение с выделением летучих веществ и образованием твёрдого нелетучего остатка — кокса. Выход летучих относят к горючей массе топлива и обозначают v', %. Чем выше выход летучих, тем легче происходит зажигание топлива.

Кадр 13

Отдельныe виды ископаемых твердых топлив различаются глубиной химических преобразований исходного материала — остатков древней растительности. С увеличением возраста топлива увеличивается углефикация горючей массы (рост С, %), снижается выход летучих и растет плотность угольной массы при снижении количества влаги в угле.

Кадр 14

Энергетическое жидкое топливо — МАЗУТ — тяжелый остаток переработки нефти, ее прямой перегонки, основанной на разных температурах кипения ее фракций, или крекинга — расщепления тяжелых углеводородов на более легкие под действием высоких температур и давлений либо катализаторов. Мазут — теплоценное топливо с очень малым балластом (Q’=40 МДж/кг, WP=2+3%, A’=0,2–0,3%).

Кадр 15

Сравнительная характеристика различных топлив СССР

Кадр 16

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО представляет собой механическую смесь горючих и негорючих компонентов. Состав сухого газообразного топлива выражается содержанием в нем химических компонентов в % по объему: CH₄+CₘHₙ+CO+H₂ + H₂S+CO₂ + O₂ + N₂=100%. Низшая теплота сгорания 1 м³ чистого сухого газа может быть определена по формуле смешения: Qₙ = ΣQᵢ·Kᵢ, Где Kᵢ — процентное содержание компонента, Qᵢ — соответствующая теплота сгорания компонента.

Кадр 17

Соотношение разных компонентов в сильной степени зависит от происхождения газа.

Кадр 18

В связи с потребностью в газе и нефти для нужд технологии и разработкой угольных месторождений Сибири доля угля в топливном балансе СССР повышается.

Кадр 19

Материальные балансы процесса горения составляются на основе СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ. Численные коэффициенты перед химическими символами реагентов называются СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ. Они определяют количество молекул веществ, вступающих в реакцию.

Кадр 20

На основе стехиометрических уравнений легко подсчитать расход воздуха на окисление горючих элементов топлива. Например, на окисление углерода, содержащегося в 1 кг рабочей массы топлива, необходим объем воздуха: Vв(C) = 32C / 12·100-1,428·0,21 = 0,0889·C, м³/кг. После аналогичных расчетов для Sр и Нр получим полное количество воздуха, необходимое для окисления всех горючих элементов топлива: Vб = 0,0889(Cр+0,375Sр)+0,265Hр-0,0333·Oр, м³/кг. Это теоретически необходимое количество, и зависит оно только от состава топлива. По стехиометрическим реакциям горения определяется и количество продуктов сгорания с учетом азота воздуха и испарившейся влаги топлива и воздуха.

Кадр 21

При общей или местной нехватке кислорода происходит неполное горение 2C+O₂=2CO. Причина местной нехватки кислорода — плохое смешение топлива и окислителя. Поэтому для компенсации несовершенства распределения окислителя в камере сгорания подается количество воздуха Vᴀ, превышающее теоретически необходимое. Отношение α=Vᴀ/V₀ называется КОЭФФИЦИЕНТОМ РАСХОДА ВОЗДУХА (ИЗБЫТКА ВОЗДУХА). При α>1,0 в составе продуктов сгорания кроме азота появляется свободный кислород.

Кадр 22

Тепловой потенциал газообразных продуктов сгорания определяется их ЭНТАЛЬПИЕЙ J_р = (V_i•C_i•t_i + кДж/м³) (кДж/кг), где V_i — объемы отдельных компонентов дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива; C_i — их соответствующая средняя теплоемкость, кДж/м³•град. J_р = Q_к.с. — без подогрева воздуха J_р = Q_к.с. — с учетом подогрева воздуха J-t-диаграмма продуктов сгорания.

Кадр 23

Зная количество тепла, внесенного в камеру сгорания единицей сожженного топлива с учетом физического тепла топлива Qф.т. и воздуха Qф.в., можно определить по диаграмме максимальную температуру tк = Qк.с. / ΣVᵢCᵢ = Qp + Qф.т. + Qф.в. / ΣVᵢCᵢ, °C. Эта температура называется КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ. Она падает с ростом α и растет при подогреве воздуха или обогащении его кислородом. Наличие в топливе влаги снижает tк.

Кадр 24

В камерах сгорания огнетехнИческих агрегатов стремятся к полному окислению с выделением максимального количества тепла. В газогенераторах ведут неполное окисление топлива для получения продуктов газификации. Гомогенные реакции протекают при одинаковом состоянии реагентов.

Кадр 25

Скорость гомогенной реакции тем выше, чем больше число столкновений молекул, то есть чем выше концентрация реагирующих в объеме веществ.

Кадр 26

Энергия активации Е, кДж/кмоль представляет собой энергетический барьер, который необходимо преодолеть для осуществления химической реакции. МЕХАНИЧЕСКИЙ БАРЬЕР: шарик, прежде чем спуститься самопроизвольно до нижнего уровня II, должен преодолеть препятствие в виде возвышения, для чего нужна дополнительная затрата энергии. ХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР: прежде чем самопроизвольно потечет химическая реакция и выделится освобождающееся тепло = Е₂ – Е₁, должно быть затрачено некоторое количество энергии Е₁ для разрушения внутренних связей вступающего в реакцию вещества. Е₂ – энергия активации продукта горения, то есть – энергетическая устойчивость полученных вновь внутримолекулярных связей.

Кадр 27

Константа химической реакции К выделяет число эффективных столкновений молекул из числа возможных К₀ и определяется по закону Аррениуса K=K₀e⁻E/RT, где К₀ —множитель, определяемый экспериментально; R — универсальная газовая постоянная, кДж/кмоль °К; e — основание натуральных логарифмов.

Кадр 28

Скорость реакции резко возрастает, если в реагирующем объеме находятся активные центры (атомарный кислород или водород, гидроксильная группа ОН и т. д.). Например, при горении водорода первичный распад молекулы его на два активных центра может быть вызван любой активной молекулой М. В результате единичного цикла каждый активный центр образует три новых, что вызывает резкое ускорение реакции вплоть до взрыва.

Кадр 29

Горению газовоздушной смеси предшествует ее воспламенение. Оно может осуществляться двумя путями: самовоспламенением или зажиганием от постороннего источника (вынужденным воспламенением). Выделение тепла реагирующей смесью Qприх. пропорционально скорости реакции (растет с увеличением температуры смеси Т). Отвод тепла в окружающую среду также растет с увеличением Т: Qрасх.=αF₀.(T–T₀), где T₀–температура внешней среды, α–коэффициент теплоотдачи во внешнюю среду, F₀–поверхность стенок камеры сгорания.

Кадр 30

Темпы роста прихода тепла (кривая 1) и его отвода (прямые 2 и 2') не одинаковы. В начале процесса в точке «а» Qприх. > Qрасх. и смесь разогревается. Но далее в точке «б» смесь не может разогреться (Тр — равновесная температура) и наступает равенство Qприх. = = Qрасх. При более высокой начальной Тo во точке «в» смесь воспламеняется. Тo — температура воспламенения смеси.

Кадр 31

Температура воспламенения не представляет собой физико-химической константы смеси, а колеблется в зависимости от условий теплоотвода. Так при уменьшении коэффициента теплоотдачи α точка «в» перемещается в точку «в’», и смесь воспламеняется при пониженной температуре. Температура воспламенения горючих газов Вид газа Химическая формула Температура воспламенения t, °С Водород H₂ 580–590 Окись углерода CO 644–658 Метан CH₄ 650–750 Этилен C₂H₄ 542–547 Ацетилен C₂H₂ 406–440

Кадр 32

При вынужденном воспламенении холодная смесь зажигается от постороннего источника, который воспламеняет тонкий ее слой (0,003–0,6 мм), прилегающий к зажигательному устройству, создавая фронт пламени. Тепло слоя передается холодной смеси, и фронт смещается в ее сторону. Скорость перемещения фронта пламени характеризуется нормальной скоростью его распространения Uₙ ~ √α , где α = λ / c.ρ — коэффициент температуропроводности смеси, м²/с; τ — время реагирования, с.

Кадр 33

Скорость распространения пламени в газовоздушной смеси зависит от содержания в ней газа, от природы его, давления и температуры предварительного подогрева смеси, наличия в ней инертных газов и т. д. Различают верхний и нижний пределы воспламенения, вне которых смесь не взрывоопасна.

Кадр 34

При горении движущейся газовоздушной смеси характер движения потока оказывает существенное значение на скорость распространения фронта пламени. Турбулентность потока, возрастающая по мере роста его скорости, усиливает тепломассоперенос в потоке за счет появления в нем пульсационной составляющей скорости w'. Скорость распространения пламени в турбулентном потоке U_T>U_H и находится из уравнения U_T=U_H√1+B(<u>w'</u>/U_H)², где B—опытный коэффициент.

Кадр 35

Разновидности фронта пламени Поток горючей смеси Пламя Гладкий фронт пламени при ламинарном течении потока смеси. Поток горючей смеси Пламя Волнистый фронт пламени с несколько увеличенной вследствие волнистости поверхностью при мелкомасштабной турбулентности потока горючей смеси. Поток горючей смеси Пламя Трепанный фронт горения с оторванными и дробящимися отдельно газовыми частицами при сильно развитой крупномасштабной турбулентности потока горючей смеси.

Кадр 36

Технические приемы стабилизации воспламенения горючей смеси При помощи туннеля. При помощи конуса. При помощи стержней. 1—горючая смесь; 2—зона горения; 3—рециркулирующие продукты сгорания; 4—туннель с горячими стенками; 5—конус-рассекатель, за которым образуется вихревое течение; 6—стабилизирующие стержни. Для устойчивого положения фронта пламени скорость потоков топлива и окислителей должна равняться U₀. В противном случае возможен отрыв пламени от горелки или проскок его. В реальных условиях для устойчивого зажигания применяют стабилизаторы.

Кадр 37

В общем случае, когда топливо и воздух подаются в камеру сгорания раздельными потоками, время реакции горения τ=τд+τх, где τд — время диффузионного смешения; τх — время химической реакции. Если τд << τх (или τд=0), то τ≈τх и процесс горения кинетический. Если τд << τд то τ ≈ τд и процесс горения лежит в диффузионной области. Если τд ≈ τд то процесс лежит в промежуточной области.

Кадр 38

Чем выше скорость вытекающей струи газовоздушной смеси, тем выше ее турбулентность и короче пламя. Чем энергичнее и тщательнее готовится смесь, тем короче факел.

Кадр 39

Для более эффективного смешения в горелках применяют завихрители потока, газ и воздух подают под углом друг к другу, применяют циклонные горелки с сильной закруткой струи.

Кадр 40

Жидкое топливо — мазут горит в парогазовой фазе, так как температура его испарения ниже температуры воспламенения. Общее время горения мазута определяется стадией прогрева и испарения. Для сокращения времени горения мазута применяют пульверизацию (распыливание) его при помощи форсунок.

Кадр 41

Схемы форсунок для распыливания жидкого топлива.

Кадр 42

Схема мазутного факела 1—зона испарения; 2—зона термического разложения (крекинга); 3—зона горения; 4—продукты сгорания. Скорость горения жидкого топлива определяется тонкостью его распыливания, условиями смешения в факеле и температурой в камере сгорания.

Кадр 43

Наиболее совершенное сгорание мазута при минимальных избытках воздуха достигается в циклонных камерах. Благодаря центробежному эффекту закрученных потоков достигается интенсивное горение мазута без сажеобразования. Принципиальная схема циклонной топки.

Кадр 44

Горение твердого топлива также является СТАДИЙНЫМ ПРОЦЕССОМ. Влага из топлива удаляется при температуре около 100°С. Наибольшее количество летучих выделяется при 200—400°С, а заканчивается их выход при 1000—1100°С. Механизм горения твердого топлива определяется в основном горением углерода.

Кадр 45

Горение твердого углерода — ГЕТЕРОГЕННЫЙ ПРОЦЕСС, протекающий на поверхности кусочка топлива. Скорость такого процесса — W, г/м²/с. Процесс состоит из двух стадий: подвода окислителя к поверхности (диффузионный процесс) и химического реагирования (кинетический процесс). При гетерогенных реагирующих системах основное значение имеют размеры реакционной поверхности, ее форма, относительная скорость движения топлива в потоке окислителя. W — относительная скорость частицы в потоке d — диаметр частицы Характер роста скорости сгорания при различных температурах и различных скоростях смесеобразования.

Кадр 46

Схема процесса газификации и выгорания углеродной поверхности. Горение твердого углерода происходит с образованием на его поверхности углекислоты и окиси углерода одновременно. При температуре до 1200°С образуется примерно одинаковое количество CO и CO₂. При более высоких температурах преобладает образование CO. I — зона горения II — зона смешения окислителя и продуктов газификации и горения.

Кадр 47

Реакции образования на поверхности углерода CO и CO₂ при его горении называют ПЕРВИЧНЫМИ. Кроме них возникают ВТОРИЧНЫЕ реакции: гетерогенная реакция восстановления углекислоты углеродом C+CO₂=2CO₂ и гомогенная реакция дожигания окиси углерода 2CO+O₂=2CO₂.

Кадр 48

Основными типами топочных процессов для сжигания твердого топлива являются слоевой, факельный и вихревой (циклонный). Различное поведение частиц топлива в газовоздушном потоке зависит от соотношения веса частиц и силы аэродинамического давления потока Р. Классификация слоя при сжигании твердого тела. а—плотный слой б—кипящий слой в и г—взвешенный слой (гетерогенные факелы)

Кадр 49

При слоевом процессе из-за затрудненности смесеобразования коэффициент расхода воздуха 1,3—1,5. Резко диффузионный характер процесса ведет к расходованию кислорода в нижних зонах слоя. При увеличении высоты слоя над кислородной зоной образуется восстановительная, где идет реакция CO2+C=2CO и топка переходит на газогенераторный режим.

Кадр 50

При пылевидном сжигании частичка твердого топлива быстро прогревается, и из нее бурно выделяются летучие вещества. Развитая поверхность позволяет сократить коэффициент расхода воздуха до 1,2.

Кадр 51

При циклонном способе сжигания твердого топлива достигается наивысшая интенсификация процесса горения. Скорость горения может быть на порядок выше, чем в ранее рассмотренных топках. В циклонной топке достаточно мелкие частицы обдуваются воздушным потоком с высокими скоростями, образующимися за счет различия траекторий движения частиц и потока в поле центробежных сил.

Кадр 52

Двухступенчатое сжигание топлива организуется специально с целью его газификации и получения защитной атмосферы в печах для безокислительного нагрева металла при последующем дожигании газов за пределами рабочего пространства печи. При двухступенчатом сжигании снижается температура в зоне реагирования и уменьшается образование токсичных окислов азота, отрицательно влияющих на окружающую среду.

Кадр 53

Сжигание мазута также может быть организовано по двухступенчатой схеме. Преимуществами такого сжигания являются уменьшение выхода токсичных и коррозионно-опасных соединений (NOx и SO3), более ровное поле температур в факеле, бессажевое сжигание мазута.

Кадр 54

КОНЕЦ Диафильм сделан по заказу Центральной кинолаборатории «Союзмузфильм» Автор С. А. ЩУКИН Консультант кандидат технических наук доцент Е. А. НАХАПЕТЯН Художник-оформитель И. В. ИЩЕНКО Редактор Е. Я. ШАРОВА © Студия «Диафильм» Госкино СССР, 1980 г. 101000, Москва, Центр, Старосадский пер., 7 Д-073-80 TO2320

Кадр 55

УРАВНЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ

Кадр 56

УЗАГАЛЬНЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН НА ОСНОВІ ТЕОРІЇ БУДОВИ