Теплотехническая оценка топлива

Лекция № 7. Теплотехническая оценка топлива.

Теплотехническая и связанная с ней экономическая оценка топлива представляет собой вопрос большой практической важности. Ранее было сказано, что топливо можно характеризовать удельной теплотой сгорания топлива или по расчетному значению энтальпии продуктов сгорания топлива, а также по его способности создавать в печи максимально высокую температуру горения.

Оценка качества топлива по теплоте сгорания, по величине удельной энтальпии дымовых газов и нормальной калориметрической температуре.

При сравнении теплоты сгорания нужно относить все виды топлива к одинаковой единице измерения. Наиболее надежной единицей является массовая, а не объемная. Сопоставляя массовую теплоту сгорания распространенных видов топлива можно сразу решить, где концентрация тепла выше. Например, природный газ имеет 45¸50 Мдж/кг, мазут - 43,5 Мдж/кг, каменный уголь - 30¸37 Мдж/кг. Оценка по теплоте сгорания не охватывает всех сторон вопроса о качестве топлива и по теплотехнической сущности является односторонней.

Энтальпия 1 кг или 1 м³ дымовых газов, определенная в результате расчета, является как бы аналогом теплоты сгорания данного топлива и тоже может служить показателем качества, но при одинаковых условиях, которые называют нормальными. Приведем некоторые значения удельной энтальпии продуктов сгорания, i₀, кдж/м³: ацетилен - 4525; окись углерода - 4330; водяной газ - 3850; мазут - 3770; метан - 3410; доменный газ - 2500. Оценка топлива по этому показателю является также неполной.

Нормальная калориметрическая температура горения тоже может служить характеристикой топлива. Чем выше эта температура, тем лучше качество топлива. Максимальной нормальной калориметрической температурой горения (жаропроизводительностью) обладает ацетилен (t_ж =2620 ^оС), а минимальной - располагает доменный газ (t_ж =1450 ¸ 1500 ^оС).

Все эти показатели позволяют производить лишь качественные сравнения и приближенно судить о том, что одно топливо лучше или хуже другого.

Наиболее полную оценку топлива с учетом, как внутренних свойств топлива, так и конкретных условий работы печи можно сделать при помощи коэффициента использования тепла топлива (КИТ).

Коэффициент использования тепла топлива.

Рекомендуемые материалы

Прямое целевое назначение топлива - производить тепловую работу т.е. оставлять в печи как можно больше рабочего тепла (i_н - i_к). Чем больше можно получить рабочего тепла на единицу топлива, тем лучше это топливо. Работоспособность топлива определяется коэффициентом использования тепла топлива (КИТ).

Большинство печей осуществляют регенерацию тепла продуктов сгорания, уходящих из рабочего пространства печи. Под регенерацией тепла понимают нагрев воздуха и топлива, подаваемых для горения, в специальных теплообменных аппаратах за счет тепла дымовых газов, отходящих из этой же печи. Первичным источником получения тепла в этих печах является только теплота сгорания топлива, т.е. химическое тепло. КИТ в развернутом виде для печей с регенерацией тепла можно сформулировать таким образом:

h = (Q_н^р + Q_ф^в + Q_ф^т - Q_ух - Q_х.н)/Q_н^р ,              (7.1)

где Q_н^р - низшая теплота сгорания топлива, кдж/кг, кдж/м³;

      Q_ф^в - физическое тепло воздуха, израсходованного для горения единицы толива, кдж/кг, кдж/м³;

      Q_ф^т - физическое тепло единицы топлива, кдж/кг, кдж/м³;

      Q_ух - физическое тепло уходящих дымовых газов из рабочего пространства печи, кдж/кг, кдж/м³;

      Q_ух - химическое тепло, получающееся как результат недожога топлива в рабочем пространстве печи, кдж/кг, кдж/м³.

В числители КИТ стоит разность между теплом, приходящим в печь с единицей топлива (Q_н^р + Q_ф^в + Q_ф^т ), и теплом, уходящим из печи вместе с дымом, полученным от сжигания этой единицы топлива (Q_ух + Q_х.н). Эта разность представляет собой рабочее тепло, оставленное в печи единицей топлива. Это тепло может быть использовано для производства полезной по технологическому процессу работы и бесполезной работы в виде неизбежных тепловых потерь рабочего пространства печи.

Отношение количества тепла, оставленного в рабочем пространстве печи, от сжигания единицы топлива к теплоте сгорания этой единицы топлива дает величину КИТ в данной печи.

Существуют печи, где подогрев воздуха и топлива осуществляют в теплообменниках с самостоятельным отоплением. В таких печах без регенерации тепла своих продуктов сгорания источником тепла является не только химическое тепло топлива, но и физическое тепло воздуха и топлива. Тогда КИТ будет выражен следующим образом:

h = (Q_н^р + Q_ф^в + Q_ф^т - Q_ух - Q_х.н)/(Q_н^р + Q_ф^в + Q_ф^т) ,              (7.2)

Коэффициент использования тепла обладает универсальным свойством одновременно освещать термодинамическую, техническую и экономическую сторону вопроса об использовании топлива. Предельное значение КИТ равно единице. В печах без регенерации тепла это получилось бы при температуре уходящих из печи газов t_ух = 0 ^оС, а в печах с регенерацией тепла ¾ при (Q_ф^в+Q_ф^т)=(Q_ух+Q_х.н). Ни то, ни другое не представляется возможным осуществить, отчего величина КИТ всегда будет меньше единицы.

Величину КИТ определяют следующие основные факторы:

1) теплота сгорания топлива;

2) подогрев воздуха и топлива;

3) обогащение воздуха кислородом;

4) недожог топлива в печи;

5) избыток воздуха при горении;

6) температура уходящих продуктов сгорания.

Проанализируем влияние основных факторов на КИТ в печах с регенерацией тепла.

1. Теплота сгорания, входя в числитель и знаменатель КИТ, противоречиво влияет на его величину. Конкретные расчеты показывают, что КИТ получается более высоким у топлива с большей теплотой сгорания.

2. Подогрев воздуха и топлива является самым мощным средством для повышения КИТ.

3. Обогащение воздуха кислородом является новым средством ¾ столь же мощным, как и подогрев воздуха и топлива. Увеличение содержания кислорода в воздухе уменьшает балласт и ведет к уменьшению количества дымовых газов, отчего снижаются потери тепла с уходящими из печи дымовыми газами. Следовательно, КИТ от обогащения воздуха кислородом повышается. Попутно повышается калориметрическая температура горения топлива. Таким образом, действие технического кислорода аналогично действию подогрева воздуха и топлива.

4. Недожог топлива по своей силе даже превосходит два предыдущих фактора, но оказывает отрицательное влияние на КИТ, ухудшая его.

5. Избыток воздуха при горении необходим для того, чтобы облегчить и обеспечить наиболее полное сжигание топлива в рабочем пространстве печи. После полного завершения реакции горения топлива избыточный воздух остается свободным, входит в состав продуктов сгорания и увеличивает их объем в качестве балласта, что снижает КИТ. Поэтому нужно сжигать газ с минимальным избытком воздуха. Чем выше температура нагретого воздуха, тем слабее вредное влияние избытка воздуха на КИТ.

6. Увеличение температуры уходящих продуктов сгорания снижает КИТ, но при решении этого вопроса нужно быть осмотрительным, т. к. снижение температуры уходящих продуктов сгорания может привести к уменьшению производительности печи.

Показатель излучательной способности топлива. Карбюрация факела.

Теплопередача излучением в печах с высокой температурой (>1000 ^oC) составляет примерно 90-95 % всего тепла, полученного нагреваемыми материалами. При изучении этого вопроса следует выделить два момента: излучение факела в процессе горения в момент, когда образуются молекулы углекислого газа и воды; излучение продуктов сгорания ¾ углекислого газа и воды. Второй случай изучен лучше первого. Удельный поток излучения слоя газов (q_луч Вт/м²) зависит от температуры газов (Т_г), от парциальных давлений (р) углекислого газа и воды в продуктах сгорания и от толщины (S) излучающего газового слоя.

Излучение горящего факела мало изучено, хотя излучение в момент горения имеет наибольшее практическое значение. В момент построения новой молекулы углекислого газа или воды выбрасывается огромное количество лучистой энергии. Максимальная первичная температура реагентов мгновенно резко снижается, как за счет излучения, так и за счет многочисленных соударений с соседними балластными молекулами.

При горении углеводородов вопрос об излучении факела усложняется еще больше. В процессе нагревания молекулы углеводородов распадаются и выделяют атомарный водород и углерод. Оставшиеся после отрыва водорода углеродные цепи коагулируют (от лат. coagulatio - свертывание, сгущение) и образуют твердые частички сажистого углерода. Сажистый углерод, имея высокую температуру, раскален до белого цвета и излучает на всем спектре волн как твердая частичка. Степень черноты такого факела значительно повышается. Обильное излучение сажистого углерода, усиливая теплопередачу, быстрее понижает начальную температуру первичной реакции горения до действительной конечной температуры. Конечная температура продуктов сгорания светящегося факела получается более низкой, чем у прозрачного факела, что приводит к повышению коэффициента использования тепла.

Этот способ повышения степени черноты факела называется карбюрацией, которая представляет большой практический интерес. Способностью выделять частички сажистого углерода обладают сложные углеводороды, имеющие в своем составе молекулы непредельных углеводородов с двойными и тройными связями.

Насыщенные углеводороды - метан и другие алканы с высоким содержанием водорода, менее склонны к образованию частичек сажи, горят несветящимся прозрачным пламенем, что ведет к понижению коэффициента использования тепла в печи.

Вопрос о карбюрации факела заслуживает большого внимания, т. к. многие печи (мартеновские, стеклоплавильные) значительно улучшают свою работу при наличии яркого светящегося факела. Яркость факела зависит не только от состава топлива, но и от организации факела. Например, сжигание метана при малой скорости истечения газа, когда факел приближается к типу ламинарного, происходит обильное выделение сажи и имеет место хорошая светимость пламени, которая исчезает при сильно турбулентном факеле.

Следовательно, существуют какие-то особые условия, при которых метан успевает нагреваться и распадаться, а атомы углерода успевают группироваться в сажистые частички.

Процесс коагуляции атомов углерода требует какой-то минимум времени, в течение которого произойдет образование частичек сажистого углерода. Если этого времени недостаточно до момента встречи с кислородом, то происходит сгорания атомарного углерода, который как и газы СО и Н₂, дает прозрачное несветящееся пламя.

Получение светящегося факела облегчается, когда топливо содержит в себе масла смолы и другие сложные углеводороды (алкины, алкены). Смола и мазут являются лучшими естественными карбюраторами факела. Достаточно 5-10 % смолы или мазута по теплу ввести в прозрачный факел, чтобы придать ему яркость и значительно изменить его степень черноты, а следовательно теплопередачу.

Аэродинамическая характеристика топлива.

При сжигании топлива получают газообразные продукты сгорания, которые нужно удалять из печи в атмосферу. На пути их следования возникают значительные аэродинамические сопротивления, для преодоления которых применяют как естественную (дымовая труба), так и искусственную тягу (дымосос). Чем больше продуктов сгорания получают на единицу теплоты сгорания топлива, тем труднее становится задача их удаления из печи. Работа многих печей лимитируется, как правило, именно трудностью удаления продуктов сгорания, а потому аэродинамический фактор часто определяет уровень производительности печи

В зависимости от состава топлива изменяется выход продуктов сгорания. Чем больше балласта в топливе, тем больше получается продуктов сгорания на единицу теплоты, тем труднее задача их удаления. Выход продуктов сгорания на 1 Мдж теплоты сгорания служит очень важным показателем качества топлива.

Выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания для основных компонентов топлива следующий: СО - 0,227 м³; Н₂ - 0,268 м³; С - 0,260 м³; СН₄ - 0,294 м³. Самый большой выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания имеет доменный газ, который составляет 0,403 м³. Природный газ (метан) имеет выход дыма 0,294 м³. Приблизительно такой же показатель, как у метана, или несколько лучше у коксового газа и мазута при распылении его паром. Использование воздуха, обогащенного кислородом, значительно изменяет все эти показатели в лучшую сторону.

Аэродинамические сопротивления в сети пропорциональны динамическим давлениям в дымоходах. Чем больше выход дыма на 1 Мдж теплоты сгорания, тем больше будут скорости движения газов и динамические давления в дымоходах того же сечения.

Сопоставляя два топлива (природный и доменный газ) при одинаковой тепловой мощности, получим следующее отношение динамических давлений и потребной тяги:

,

Информация в лекции "3 Принципы водного законодательства" поможет Вам.

где 1,23 и 1,4 - соответственно плотность дыма при горении метана и доменного газа.

Из этого примера видно, что потребность в дымовой тяге при одинаковой тепловой мощности и температуре уходящих дымовых газов примерно в 2 раза меньше на печи, работающей на природном газе, чем на доменном.

Наибольший интерес представляет такое условие сравнения, при котором в печи остается одинаковое количество рабочего тепла, характеризующего производительность печи. В случае, если необходимо учитывать коэффициент использования тепла, то отношение потребности в дымовой тяги будет иметь следующий вид:

,

где индекс 1 относится к параметрам при горении метана, а - 2 относится к параметрам при горении доменного газа.

При наличии какого-то разряжения дымососа через систему дымоходов можно пропустить в час вполне определенное количество дыма. При переходе от одного топлива к другому с сохранением постоянной тяги тепловая мощность печи может измениться, что приведет к изменению производительности печи.