Газообразное топливо

Горючие газы, употребляемые как топливо, по своему происхождению разделяются на природные и искусственные. К природнымотносятся газы, добываемые из недр Земли, а к искусственным – получаемые на газовых заводах из твердого или жидкого топлива. Природные газы представляют собой смесь различных углеводородов метанового ряда. Они не содержат водорода и оксида углерода. Содержание кислорода, азота и углекислого газа обычно бывает невысоким. Газы некоторых месторождений содержат в небольших количествах сероводород.

Природные газы можно подразделить на три группы:

1. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений. Они в основном состоят из метана и являются тощими или сухими. Тяжелых углеводородов (от пропана и выше) сухие газы содержат менее 50 г/м³.

2. Газы, которые выделяются из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью, в которой его бывает растворено от 10 до 50% от веса добываемой нефти. В этом случае выделение газа из нефти и его улавливание производится при снижении давления выходящей из скважины нефти в специальных металлических резервуарах – сепараторах или траппах, в которые нефть поступает из скважины. Полученные таким образом газы называются попутными (нефтяными). Помимо метана они содержат значительное количество (до 60%) более тяжелых углеводородов и являются жирными газами.

3. Газы, которые добывают из конденсатных месторождений. Они представляют собой смесь сухого газа (> 75%) и паров конденсата, который выпадает при снижении давления. Пары конденсата представляют собой смесь паров тяжелых углеводородов (бензина, лигроина, керосина).

Сухие газы легче воздуха, а жирные легче или тяжелее в зависимости от содержания тяжелых углеводородов. Низшая теплота сгорания сухих газов, добываемых в нашей стране, составляет 31000–38000 кДж/м³. Теплота сгорания попутных газов выше и изменяется от 38000 до 63000 кДж/м³.

Природные газы подразделяются также на бессернистые, в которых сернистых соединений нет или есть только их следы, и сернистые газы, в которых содержание сернистых соединений достигает 1% и более.

Искусственные газы получаются из твердого или жидкого топлива. При термической переработке твердых топлив в зависимости от способа переработки получают газы сухой перегонки и генераторные газы.

Сухая перегонка твердого топлива представляет собой процесс его термического разложения, протекающий без доступа воздуха. При сухой перегонке топливо проходит ряд стадий физико-химических преобразований, в результате которых оно разлагается на газ, смолу и коксовый остаток. Характер преобразований, претерпеваемых топливом, определяется его природой и температурой процесса. Сухую перегонку топлива, происходящую при высоких температурах (900–1100 °C), называют коксованием, в результате которого получают кокс и коксовый газ с низшей теплотой сгорания Q_н = 16000–18000 кДж/м³ и плотностью ρ = 0,45–0,5 кг/м³. Из одной тонны каменного угля коксованием можно получить 300–350 м³ коксового газа.

Получать газ методом сухой перегонки можно и при температуре 500–550 °C (полукоксование). В этом случае выход газа незначителен (в пределах 25–100 м³ с 1 т угля), а основным продуктом перегонки служат смолы, идущие на выработку моторных топлив, и полукокс.

Газовое топливо может быть получено также путем газификации твердого топлива. Газификация – процесс термохимической переработки топлива. В результате реакции углерода топлива с кислородом и водяным паром образуются горючие газы: оксид углерода и водород. Одновременно с процессом газификации протекает частичная сухая перегонка топлива. Продуктами газификации топлива являются горючий газ, зола и шлаки. Аппараты, в которых осуществляют газификацию топлива, называют газогенераторами.

При подаче в газогенератор паровоздушной смеси получают генераторный газ, называемый смешанным. Низшая теплота сгорания смешанного газа Q_н = 5000–7000 кДж/м³, плотность ρ = 1,15 кг/м³.

Водяной газ получают путем периодической продувки газогенератора воздухом и паром. Горючими компонентами в нем являются водород и оксид углерода.

Ввиду того, что большинство генераторных газов при сгорании способны давать сравнительно немного тепла и содержат в себе значительное количество негорючих и ядовитых веществ, они в чистом виде в городские газовые сети не подаются, а только добавляются к другим газам или употребляются для сжигания в металлургических, стекловаренных и других печах, требующих газового нагрева.

При выплавке чугуна в доменных печах получают доменный газ. Основной горючий компонент доменного газа – CO (28 – 30%). Теплота сгорания доменного газа Q_н = 3–4 МДж/м³.

В состав различных видов газового топлива входят:

1. горючая часть: углеводороды метанового ряда, водород, оксид углерода;

2. негорючая часть: диоксид углерода, кислород, азот;

3. вредные примеси: сероводород.

Метан (CH₄) – нетоксичный газ без цвета, вкуса и запаха. Представляет собой химическое соединение углерода с водородом. Является основной горючей частью природных газов.

Тяжелые углеводороды (C_mH_n) – этан, пропан, бутан и др. – характеризуются высокой теплотой сгорания.

Водород (H₂) – нетоксичный газ без цвета, вкуса и запаха.

Оксид углерода или угарный газ (CO) – газ без цвета, вкуса и запаха. На организм человека оказывает токсическое воздействие. Опасна для жизни при воздействии на человека в течение 5–6 мин. концентрация оксида углерода около 0,4об.%. Даже незначительное содержание CO в воздухе (0,02об.%) вызывает заметное отравление.

Диоксид углерода или углекислый газ (CO₂) – газ без цвета, без запаха, со слабым кисловатым вкусом.

Кислород (O₂) – газ без цвета, вкуса и запаха. Содержание кислорода в газе снижает его теплоту сгорания. Не горит, но поддерживает горение.

Азот (N₂) – газ без цвета, вкуса и запаха. Не горит и горения не поддерживает.

Сероводород (H₂S) – тяжелый газ с сильным неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц. Сероводород обладает высокой токсичностью. При сжигании газа сероводород сгорает и образует сернистый газ, вредный для здоровья.

3.3 Теплотехнические характеристики топлива.

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются теплота сгорания, жаропроизводительность, содержание золы и влаги, содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива, выход летучих веществ, свойства кокса (нелетучего остатка).

Теплоту сгорания мы рассмотрим в следующем пункте, перейдем сразу к жаропроизводительности.

Жаропроизводительностью топлива называется температура горения с минимальным (стехиометрическим) количеством окислителя и без подогрева топлива и воздуха. Жаропроизводительность топлива позволяет оценить эффективность его использования в высокотемпературном процессе.

Зола топлива представляет собой твердый негорючий остаток, получающийся после сгорания горючей части топлива; причем зола, прошедшая стадию расплавления, называется шлаком. Зола существенно ухудшает качество топлива и вызывает значительные трудности в процессе сжигания (износ и шлакование поверхностей нагрева). При сравнительных расчетах пользуются приведенной зольностью .

Влага W топлива отрицательно влияет на его качество, так как снижает теплоту сгорания, ухудшает процесс воспламенения топлива, приводит к увеличению объема дымовых газов, а следовательно, потерь с уходящими газами. Приведенная влажность топлива .

Сера S – весьма нежелательный элемент топлива. При ее сгорании образуются SO₂ и SO₃, которые вызывают коррозию элементов энергетических установок и оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду.

При нагревании топлива происходит выделение газообразных продуктов разложения, которое называется выходом летучих веществ V^г и определяется в процентах от горючей массы топлива. Чем больше выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и больше объем пламени. По содержанию летучих веществ топливо подразделяют на пламенное и тощее.

Свойства кокса оказывают значительное влияние на процесс горения топлива и определяют области его использования.

Кроме того, характеристиками топлива являются: удобство сжигания топлива и расход энергии, связанный с подготовкой топлива к использованию; степень сложности разведки и трудности добычи топлива, определяющая объем капиталовложений и себестоимость топлива; удаленность месторождений топлива от районов его потребления.

3.4 Низшая и высшая теплота сгорания топлива.

Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива - количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема (кДж/м³) топлива. Теплота сгорания является характеристикой, определяющей расход топлива для работы топливоиспользующего оборудования. Различают высшую и низшую теплотворные способности топлива. При проектировании котлов и технологических агрегатов, в которых не используется скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива, расчеты традиционно ведутся по низшей теплотворной способности топлива.

В тех случаях, когда имеет место использование в агрегатах скрытой теплоты конденсации водяных паров, в расчетах фигурирует высшая теплота сгорания топлива.

Низшую теплоту сгорания топлива можно определить, зная высшую теплоту сгорания

,

где r_п – скрытая теплота конденсации водяных паров при н. у., кДж/кг; – масса влаги, содержащаяся в 1 м³ газового топлива, кг/м³.

Скрытая теплота конденсации водяных паров при нормальных условиях равна r_п=2510 кДж/кг.

Для жидкого и твердого топлива связь между высшей и низшей теплотой сгорания определяется соотношением

.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально в калориметрической бомбе или в газовом калориметре. Принцип работы калориметров основан на том, что в них сжигается точно замеренная масса или объем топлива, выделяющееся тепло которого передается воде, начальная температура и масса которой известны. Зная массу воды, и замеряя повышение ее температуры, определяют количество выделенного тепла и теплоту сгорания топлива. При известном составе топлива теплота его сгорания может быть подсчитана аналитически. Рабочая низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива приближенно может быть определена по формуле Д.И. Менделеева, кДж/кг

.

(

При известном составе газообразного топлива теплота сгорания 1 м³ газа может быть подсчитана по формуле

,

где – теплота сгорания каждого газа, входящего в состав топлива, МДж/м³; C_mH_n, H₂S, CO, H₂–содержание отдельных газов в топливе, % об.

Теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, приведена в табл. 2.3.

Таблица 1.3 Теплофизические свойства газов

Наименование газа	Обозна-чение	Плотность ρ, кг/м3	Теплота сгорания низшая , МДж/м3
Метан	CH4	0,717	35,88
Этан	C2H6	1,355	64,36
Пропан	C3H8	2,009	93,18
Бутан	C4H10	2,697	123,15
Пентан	C5H12	3,454	156,63
Гексан	C6H14	3,848	173,17
Гептан	C7H16	4,474	200,55
Этилен	C2H4	1,251	59,06
Пропилен	C3H6	1,877	86,00
Бутилен	C4H8	2,503	113,51
Бензол	C6H6	3,485	140,38
Азот	N2	1,250	–
Водород	H2	0,090	10,79
Диоксид углерода	CO2	1,977	–
Оксид углерода	CO	1,250	12,64
Кислород	O2	1,428	–
Сероводород	H2S	1,536	23,37

3.5 Понятие условного топлива.

Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в очень широких пределах. Для сравнения разных видов топлива при определении норм расхода, запасов, экономии топлива введено понятие об условном топливе. Условным топливом называют топливо, низшая теплота сгорания которого равна Q_у.т = 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расхода какого-либо вида натурального топлива в условное и обратно пользуются тепловым эквивалентом, представляющим собой отношение низшей теплоты сгорания рабочей массы натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива

.

Лекция №3 (2 часа)

Тема: «Горение топлива»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения о горении топлива.

1.2 Элементы теории горения топлива.

1.3 Материальный баланс горения.

1.4 Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания.

1.5 Коэффициент избытка воздуха и действительный объем продуктов сгорания.

1.6 Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

1.7 Оптимизация процесса горения топливо.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

2.2.2 Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учебное пособие/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. -84 с.: ил.15.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения о горении топлива.

Оcнову гоpения cоcтавляют самоускоряющиеся pеакции окиcления гоpючиx вещеcтв топлива, в pезультате котоpыx иcxодные вещеcтва (гоpючее и окиcлитель) пpеобpазуютcя в пpодукты cгоpания, т.е. в новые вещеcтва c иными физичеcкими и xимичеcкими cвойcтвами.

Xаpактеpным пpизнаком гоpения являетcя быcтpопpотекающий пpоцеcc, cопpовождающийcя интенcивным выделением теплоты и pезким повышением темпеpатуpы. Для пpотекания xимичеcкой pеакции между гоpючими вещеcтвами топлива и окиcлителем, пpежде вcего, необxодимо cоздать физичеcкий контакт между молекулами взаимодейcтвующиx вещеcтв и довеcти молекулы до такого cоcтояния, пpи котоpом cтановятcя возможными xимичеcкие pеакции между ними.

Первое (т.е. физический контакт) оcущеcтвляетcя в пpоцеccе обpазования гоpючей cмеcи, втоpое – пpи её воcпламенении.

Таким обpазом, гоpение – это cложный физико-xимичеcкий пpоцеcc, включающий в cебя pяд поcледовательно и паpаллельно пpотекающиx физичеcкиx и xимичеcкиx cтадий.

Pазличают полное гоpение, т.е. без потеpь теплоты, и неполное, т.е. c потеpями теплоты. Пpи полном гоpении вcе гоpючие вещеcтва топлива пpинимают учаcтие в окиcлительныx пpоцеccаx, пpи этом обpазуютcя только окcиды – CО₂, SO₂, H₂O.

Pеальное гоpение, как пpавило, являетcя неполным. Pазличают меxаничеcкую и xимичеcкую неполноту cгоpания.

В пеpвом cлучае (механический недожог) некотоpое количеcтво топлива в пpоцеccе гоpения топлива не учаcтвует. Напpимеp, газовым потоком из топки выноcятcя наиболее мелкие фpакции угля, а наиболее кpупные, наобоpот, могут оcедать в нижней чаcти топки (на поду) и удалятьcя вмеcте c золой и шлаком. В cлоевой топке возможен также пpовал мелкиx фpакций топлива чеpез отвеpcтия колоcниковой pешётки.

Потеpи c xимичеcким недожогом возникают в cлучае xимичеcки неполного окиcления углеpодcодеpжащиx cоединений c обpазованием окиcи углеpода CО, а также в cлучае, когда чаcть гоpючиx газообpазныx вещеcтв, обpазовавшиxcя пpи иcпаpении и теpмичеcком pазложении жидкого и твёpдого топлива (CО, Н₂, CН₄ и дp.), покидает топку до завеpшения окиcлительныx пpоцеccов. В качеcтве окиcлителя пpи гоpении пpеимущеcтвенно иcпользуетcя не чиcтый киcлоpод, а атмоcфеpный воздуx, что объяcняетcя его доcтупноcтью и пpоcтотой иcпользования. В теxнологичеcкиx уcтановкаx, напpимеp, маpтеновcкиx или доменныx печаx, пpименяетcя также воздуx, обогащённый киcлоpодом, или чиcтый киcлоpод.

Pаcxод киcлоpода или воздуxа , теоpетичеcки необxодимый для полного cгоpания единицы количеcтва топлива (килограмм или кубометр), опpеделяетcя из cтеxиометpичеcкиx уpавнений гоpения.

3.2 Элементы теории горения топлива.

Поскольку в основе процесса горения лежит реакция окисления горючих компонентов топлива, то материальный баланс процесса горения выражает количественное соотношение между исходными компонентами (топливо и окислитель) и конечными продуктами (дымовые газы, т.е. продукты сгорания), отнесённое к единице объёма (или массы) топлива.

Несмотря на то, что непосредственным окислителем в реакциях горения является кислород, на практике чистый кислород используется очень редко (лишь в специфических технологических процессах). В теплоэнергетике в качестве окислителя используется воздух как наиболее доступный и дешёвый газ, в котором содержится примерно 21 % кислорода (по объёму). Оставшиеся примерно 79 % составляет азот (концентрация других компонентов, как правило, ничтожно мала), который при нормальных условиях не принимает участия в процессе горения, поскольку является инертным газом. При высоких температурах, к сожалению (или даже – к несчастью), протекают реакции образования высокотоксичных оксидов азота (их принято называть NОх). Но это уже другие реакции, которые к материальному балансу процесса горения отношения не имеют.

3.3 Материальный баланс горения.

Материальный баланс процесса горения твёрдого и жидкого топлива составляется на 1 кг топлива. Первоочередной целью материального баланса является определение теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, а также теоретического объёма продуктов сгорания.

Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания - это не самоцель. Впоследствии, когда по результатам теплового баланса будет найден секундный расход топлива, определяют секундные расходы воздуха и дымовых газов, необходимые для выбора (по результатам аэродинамического расчёта котла) соответствующего тягодутьевого оборудования: вентилятора и дымососа.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы)

Составление материального баланса можно условно разделить на две стадии:

– определение объёма воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива, и теоретического объёма продуктов сгорания;

– определение действительных объёмов воздуха и продуктов сгорания (с учётом коэффициента избытка воздуха).

Для твёрдого и жидкого топлива материальный баланс составляется на 1 кг топлива, для газообразного - на 1 м сухого газа при нормальных условиях (Р = 0,1013 МПа, I = 0 °С).

3.4 Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания.

Cоглаcно закону Дальтона, гоpючие cоcтавляющие топлива вcтупают в xимичеcкое pеагиpование c киcлоpодом в опpеделённом количеcтвенном cоотношении, опpеделяемом из cтеxиометpичеcкиx уpавнений полного гоpения углеpода, водоpода и cеpы, запиcанныx для одного 1 кмоля каждого гоpючего элемента:

(3)

Пpи pаcчёте объёмов воздуxа и пpодуктов cгоpания уcловно пpинимают, что вcе гоpючие cоcтавляющие окиcляютcя полноcтью, т.е. в cоответcтвии c pеакциями.

Как уже отмечалось, в воздуxе cодеpжитcя пpимеpно 21 % киcлоpода (по объёму), поэтому количеcтво воздуxа, теоpетичеcки необxодимого для полного cгорания 1 кг топлива:

Теоретический объём тpёxатомныx газов в cоответcтвии c уpавнениями (3а, в):

Теоpетичеcкий объём азота pавен объёму азота, поcтупившего c воздуxом и объёму азота, выделяемого из топлива

Теоpетичеcкий объём водяного паpа cкладываетcя из cледующих оcтавляющиx:

– водяные паpы, обpазующиеcя пpи cгоpании водоpода, входящего в состав топлива (реакция 2б);

– водяные паpы, обpазующиеcя пpи иcпаpении влаги топлива

– водяные паpы, вноcимые в топку c окиcлителем (воздуxом)

В итоге теоретический объём водяных паров:

Cуммаpный теоpетичеcкий объём пpодуктов cгоpания:

3.5 Коэффициент избытка воздуха и действительный объем продуктов сгорания.

Отношение действительного количества воздуха, подаваемого для сжигания единицы топлива, к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха зависит от рода топлива, способа его сжигания и т.д. Для газообразного топлива обычно α = 1,05 ÷ 1,1; жидкого α = 1,1 ÷ 1,3; твердого α = 1,2 ÷ 1,7.

Коэффициент избытка воздуха является одной из важнейших эксплуатационных характеристик устройств, в которых реализуется процесс сжигания топлива (паровые котлы, промышленные печи и т.д.). При увеличении объема уходящих продуктов сгорания увеличивается и доля теплоты от сгорания топлива, которая теряется с этими газами.

Используя полученные выше уравнения материального баланса процесса горения, можно определить коэффициент избытка воздуха по содержанию (концентрации) в продуктах сгорания СО₂, О₂ или N₂. Общий принцип определения коэффициента избытка воздуха состоит в том, что при полном сгорании топлива изменяется концентрация в сухих газах СО₂, О₂ или N₂ при изменении α. В газоанализаторах исследуется предварительно осушенные продукты сгорания. Это вносит некоторые искажения в объемные доли продуктов сгорания, что особенно заметно для топлив, богатых водородными соединениями (природные газы, жидкое топливо).

В процессе горения, по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций, выгорание замедляется. Условия реагирования ухудшаются также в связи со сложностью перемешивания больших количеств топлива и окислителя.

Таким образом, в связи с несовершенством аэродинамики топочных устройств и невозможностью идеального (т.е. на молекулярном уровне) смешения топлива и окислителя в реальных условиях, для полного сгорания топлива необходимо несколько большее количество воздуха, чем теоретический объём воздуха, полученный из стехиометрических уравнений горения.

Как уже отмечалось, отношение действительного объёма воздуха Vк теоретически необходимому V₀ называется коэффициентом избытка воздуха.

Таким образом, действительный объём воздуха, поступающего в зону горения:

Где - избыточный воздух.

Действительный объём продуктов сгорания будет больше теоретического за счёт азота, кислорода и водяного пара, содержащихся в избыточном воздухе.

Так как воздух практически не содержит трёхатомных газов, то их объём не зависит от коэффициента избытка воздуха и остаётся постоянным равным теоретическому:

Объём двухатомных газов включает в себя теоретический объём азота и избыточный воздух:

Действительный объём водяных паров увеличивается (по сравнению с теоретическим) на количество водяных паров, внесённых с избыточным воздухом:

Суммарныйобъём продуктов сгорания:

3.6 Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания 1 кг твердого, жидкого или 1 м³ газообразного топлива определяется по сумме энтальпий газообразных продуктов сгорания, входящих в состав дымовых газов.

Энтальпия воздуха, кДж/м³ ( при коэффициенте избытка воздуха α = 1),

I_в° = α·V_в°·С_в·t_в,

где С_в — теплоемкость воздуха, м³·°С, при его температуре t_в, ˚С.

V_в° — теоретический объем воздуха,

Энтальпия газообразных продуктов сгорания, кДж/м³ (при α = 1),

I_г° = (V_RО2 ·С_СО2 + V_N2 ·С_N2 + V_Н2О·С_Н2О) ·t_г

где С_СО2, С_N2 С_Н2О — средние объемные теплоемкости двуокиси углерода, азота и водяных паров при постоянном давлении и тем­пературе, кДж/(м³·°С).

Энтальпия дымовых газов, кДж/м³ , при α > 1

I_г= I°_г + (α – 1) ·V_в° ·С_в · t_г

3.7 Оптимизация процесса горения топливо.

Коэффициет избытка воздуха в топке выбирается в зависимости от:

– вида топлива (теплотехнических характеристик топлива);

– способа сжигания;

– конструкции топки;

– способа образования горючей смеси (конструкции горелки) и др.

Определяющими факторами при выборе оптимального значения коэффициента избытка воздуха являются минимальные суммарные потери с уходящими газами q₂ и химическим и механическим недожогом q_з и q₄.

Увеличение избытка воздуха приводит к росту потерь теплоты с уходящими газами (q₂), снижение - к повышению потерь с химическим и механическим недожогом топлива (q_з и q₄).

Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха будет соответствовать минимальному значению суммы потерь q₂ + q_з + q₄.

Оптимальные значения коэффициента избытка воздуха в топке α_Т при сжигании:

– мазута 1,05-1,1

– природного газа 1,05-1,1;

твердого топлива:

– камерное (факельное) сжигание 1,15-1,2;

– слоевое сжигание 1,3-1,4.

Расчетный коэффициент избытка воздуха а в топке устанавливается согласно нормам теплового расчета котла.

Уменьшение избытка воздуха приводит к экономии расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышению КПД котла, однако его снижение ниже расчетного значения ведет к быстрому росту недожога топлива и снижает экономичность.

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососом, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды. За счет этого объём продуктов сгорания увеличивается, возрастает избыток воздуха, и снижается температура газов.

Присосы определяются в долях теоретически необходимого объёма воздуха

где - объём присосов воздуха в пределах i-й поверхности котла.

Тогда избыток воздуха за г-й по порядку поверхностью нагрева после топки определится как

Для обеспечения оптимальных условий горения и минимума присосов воздуха по газовому тракту необходим постоянный контроль за избытками воздуха в газовом тракте.

Как уже было отмечено, коэффициент избытка воздуха, в соответствии с определением, равен отношению действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому:

Таким образом, для точного определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить практически полный состав продуктов сгорания, а именно: концентрации кислорода, азота, оксида углерода, водорода, метана.

На практике используются два более упрощённых метода определения коэффициента избытка воздуха: по концентрации кислорода и по концентрации сухих трехатомных газов в продуктах сгорания.

Лекция №4 (2 часа)

Тема: «Котельные установки»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения о котельных установках.

1.2 Назначение и классификация котельных установок.

1.3 Технологические схемы котельных установок.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения о котельных установках.

Котельные агрегаты – устройства, имеющие топку для сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермических химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

К основным элементам котельной относятся:

– котлы, заполняемые водой и обогреваемые теплом от сжигания.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов сгорания топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

– топки, в которых сжигают топливо и получают нагретые до высоких температур дымовые газы.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращение его химической энергии в теплоту нагретых газов.

- Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

– газоходы, по которым перемещаются дымовые газы и, соприкасаясь со стенками котла, отдают последним свою теплоту;

– дымовые трубы, с помощью которых дымовые газы перемещаются по газоходам, а затем после охлаждения удаляются в атмосферу.

Без перечисленных элементов не может работать даже самая простая котельная установка.

К вспомогательным элементам котельной относят:

– устройства топливоотдачи и пылеприготовления;

– золоуловители, применяемые при сжигании твердых видов топлива и предназначенные для очистки отходящих дымовых газов и улучшающих состояние атмосферного воздуха вблизи котельной;

– дутьевые вентиляторы, необходимые для подачи воздуха в топку котлов;

– дымососы-вентиляторы, способствующие усилению тяги и тем самым уменьшению размеров дымовой трубы;

– устройства по очистки питательной воды, предотвращающие накипеобразование в котлах и их коррозию.

– водяной экономайзер служит для подогрева питательной воды до ее поступления в котел.

– воздухоподогреватель предназначен для подогрева воздуха перед его поступлением в топку горячими газами, покидающими котлоагрегат.

– приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

Кроме того, в котельных, работающих на жидком топливе, имеется мазутное хозяйство, а при сжигании газа – газорегуляторные станции.

3.2 Назначение и классификация котельных установок.

Котельная- комплекс зданий и сооружений, здание или помещения с котлом (теплогенератором) и вспомогательным технологическим оборудованием, предназначенными для выработки теплоты в целях теплоснабжения.

Центральная котельная- котельная, предназначенная для теплоснабжения нескольких зданий и сооружений, связанных с ней наружными тепловыми сетями.

Автономная (индивидуальная) котельная -котельная, предназначенная для теплоснабжения одного здания или сооружения.

Крышная котельная -котельная, располагаемая (размещаемая) на покрытии здания непосредственно или на специально устроенном основании над покрытием.

По характеру тепловых нагрузок котельные подразделяются на :

- производственные, предназначенные для получения пара или горячей воды, используемых в технологических процессах предприятий, заводов и фабрик;

- производственно-отопительные, обеспечивают тепловые нагрузки технологических потребителей предприятий, а также отопления, вентиляции и горячего водоснабжения промышленных, общественных и жилых зданий и сооружений;

- отопительные, предназначенные только для обеспечения отопления, вентиляции и горячего водоснабжения коммунально-бытовых потребителей.

По способу подачи воды системы теплоснабжения разделяются на закрытые и открытые, двух- и четырехтрубные и другие.

В закрытых системах вода тепловой сети используется только как теплоноситель в теплообменниках для подогрева холодной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, а вода из теплосети не отбирается. Главные преимущества закрытой системы теплоснабжения: стабильное качество горячей воды и простота контроля плотности системы. Основные недостатки – сложность оборудования и эксплуатация абонентских вводов горячего водоснабжения; коррозия установок из-за поступления в них недеаэрированной водопроводной воды, а также образование накипи и шлама в трубопроводах горячего водоснабжения. В открытых системах вода непосредственно из тепловой сети забирается для подачи ее в систему горячего водоснабжения потребителя. Котельная установка при этом имеет дополнительные элементы: баки-аккумуляторы для создания запаса воды на горячее водоснабжение в часы максимального ее расходования потребителями, перекачивающие насосы и др. Основные преимущества открытых систем теплоснабжения: простые и недорогие абонентские вводы горячего водоснабжения, их долговечность. Недостатки – усложнение и удорожание оборудования водоподготовки и подпиточных устройств; усложнения контроля утечек теплоносителя и герметичности системы.

Система теплоснабжения большой и средней мощности экономически целесообразно выполнять двухтрубными - с общим подающим трубопроводом горячей воды для отопления вентиляции и горячего водоснабжения и общим обратным трубопроводом. Четырехтрубные системы теплоснабжения применяются в основном при небольшом радиусе расположения потребителей. Котельная имеет две водонагревательные установки: одна – для подогрева воды системы отопления и вентиляции, другая – для подогрева воды системы горячего водоснабжения.

По способу размещения котельные подразделяются на:

– отдельно стоящие;

– пристроенные к зданиям другого назначения;

– встроенные в здания другого назначения независимо от этажа размещения;

– крышные.

3.3 Технологические схемы котельных установок.

В теплоэнергетике одним