CC BY
52
УДК 662.613
05.00.00 Технические науки
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ГОРЕНИЯ МАЛОСЕРНИСТОГО МАЗУТА
Попкова Оксана Сергеевна
канд.техн.наук, доцент кафедры «ТОТ»,
РИНЦ SPIN-код: 4884-0466,
Author ID: 635243
oksiniy@mail.ru
Файзуллина Азалия Ильгизовна магистрант
faizullinamyau@gmail.com
Гильфанов Камиль Хабибович д.т.н., профессор, зав. кафедры «АТПП», Author ID: 153151 kamil.gilfanov@yandex.ru Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет», Казань, Россия
В статье приведен расчет горения жидкого топлива, в котором определяется расход воздуха на горение топлива, затем количество и состав продуктов горения - дымовых газов, образующихся в результате горения топлива и температура дымовых газов
Ключевые слова: ТОПЛИВО; ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ; ТЕПЛОТЕХНИКА; МАЗУТ
Doi: 10.21515/1990-4665-132-101
UDC 662.613 Engineering sciences
DETERMINATION OF PARAMETERS FOR EFFICIENT COMBUSTION OF LOW-SULFUR FUEL OIL
Popkova Oksana Sergeevna Cand.Tech.Sci., associate Professor oksiniy@mail.ru
Faizullina Azaliya Ilgizovna graduate student faizullinamyau@gmail.com
Gilfanov Kamil Habibovich Doct.Tech.Sci., professor, head of the Department «ATPP», Author ID: 153151 kamil. gilfanov@yandex.ru
Federal state budgetary educational institution of higher professional education «Kazan state power engineering University», Kazan, Russia.
The article presents the calculation of combustion of liquid fuel, which is determined by the air consumption for combustion of fuel, then the number and the composition of combustion products - flue gas resulting from burning fuel and the flue-gas temperature
Keywords: FUEL, COMBUSTION PRODUCTS, HEAT ENGINEERING, FUEL OIL
Продукты сгорания оказывают определяющее влияние на энергетические и экономические показатели различных теплотехнических установок. Однако помимо этих продуктов при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники.
В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы. Токсичными являются вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и
окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота NO, оксид углерода СО, различные углеводороды СН, сажа и соединения, содержащие свинец и серу.
Промышленные виды топлива горят в результате химических реакций окисления их горючей части кислородом воздуха. Из-за большого объема горящего топлива, невозможно рассматривать горение единичной жидкой капли [6]. Поэтому первой задачей расчета горения является определение расхода воздуха на горение топлива. Затем определяют количество и состав продуктов горения - дымовых газов, образующихся в результате горения топлива, и, наконец, находят температуру дымовых газов.
Первый этап этих расчетов - определение расхода кислорода. Расход кислорода рассчитывают исходя из стехиометрических соотношений реакций окисления отдельных компонентов горючей части топлива, их атомных и молекулярных масс, где для жидкого топлива эти расчеты ведут по соотношениям массы веществ. Отношение действительного расхода воздуха Gд к теоретическому Gт называют коэффициентом избытка воздуха и обозначают буквой а:
Значение а зависит от вида топлива и степени совершенства топочного устройства. Наибольшая полнота смешения с воздухом достигается у газового топлива. Поэтому его можно сжечь с минимальным избытком воздуха: а= 1,05...1,1. Мазут при сжигании распыляют специальными форсунками, что обеспечивает образование развитой поверхности взаимодействия диспергированных капель мазута с воздухом. Однако даже в тонкодиспергированном мазуте не удается достичь идеального (молекулярного) смешения его капель с воздухом. Поэтому для сжигания мазута требуется повышенный избыток воздуха: а= 1,1.1,2.
м
(1)
Несколько больший избыток воздуха необходим при сжигании пылевидного топлива - а= 1,2.1,25. Наименее развитая поверхность взаимодействия с воздухом образуется при сжигании твердого кускового топлива. Поэтому здесь избытки воздуха значительны: а= 1,4.1,8.
Далее при расчете горения топлива определяют количество и состав дымовых газов, образующихся в результате этого процесса. Они также получаются из стехиометрических соотношений реакций взаимодействия горючих составных частей топлива с кислородом воздуха с учетом закона равенства массы реагирующих веществ и продуктов реакции. В составе и количестве дымовых газов, естественно, учитывается (к продуктам реакции плюсуются) избыточный кислород, весь азот и влага, вовлеченная с воздухом.
Третьим этапом расчета горения является определение температуры горения топлива и требуемого избытка воздуха. Различают теоретическую (калориметрическую) и практическую температуры горения топлива. Максимальная калориметрическая температура развивается при сжигании топлива с а=1.
В большинстве случаев топливо не сгорает до полной степени окисления его горючих составных частей - в дымовых газах наряду с С02 и Н20 появляются продукты неполного сгорания СО и Н2 с соответствующим понижением тепловых эффектов процесса горения. Вследствие этого появляются потери тепла от химического недожога топлива. Затем часть тепла теряется через ограждающие конструкции топочного устройства [з,3].
Кроме потерь тепла, часть его передается нагреваемому материалу непосредственно так называемой прямой отдачей, т.е. излучением, минуя нагрев дымовых газов, температура которых и по этой причине не может превосходить температуры горения £п всегда ниже калориметрической (теоретической). Факторы, которые обусловливают снижение
теоретической температуры горения топлива при его сжигании в котельных и промышленных тепловых установках, учитывают калориметрическим коэффициентом т}^.
"г. = (2)
Для топок паровых котлов в зависимости от степени экранирования поверхности нагрева котла колеблется в пределах 0,15... 0,5.
Калориметрическую температуру горения топлива с приемлемой для инженерных расчетов точностью определяют из уравнения теплового баланса горения 1кг твердого или жидкого топлива:
<?: - Стгт = ^ -С (3)
где 0рн- низшая теплотворность топлива, кДж/кг; ^-теоретический расход воздуха на горение 1кг топлива, м /кг; Св - теплоемкость воздуха, Св=1,3 кДж/м С; ^ - температура воздуха, поступающего на горение топлива, С; ?т- температура топлива, поступающего на горение; Ст-теплоемкость топлива; У°д- теоретическое количество продуктов горения от сжигания 1кг топлива, нм /кг; Сд - теплоемкость дымовых газов. Для проектных расчетов допустимо пользоваться приближенными формулами:
С- = 0.25 - 0.00001-:^ (4)
С. = 0.3:3- 0.000013:- (5)
где ?д-температура продуктов горения (дымовые газы), С [4].
Практически подогревают перед сжиганием только мазут. Твердое топливо и природный газ не подогревают и, следовательно, в этих случаях величиной Ст- и можно пренебречь. Если уравнением (3) пользуются для определения калориметрической температуры горения топлива то поскольку от зависит и Сд, это уравнение решают методом последовательного приближения.
Уравнением (3) можно воспользоваться для двух целей: если по условию задания известна требуемая практическая температура в печи
то предварительно рассчитав по уравнению (2) калориметрическую температуру определяют затем по уравнению (3) необходимый избыток воздуха, решая уравнение (3) относительно а. Если же, наоборот, заданной величиной является коэффициент избытка воздуха а, обусловленный видом топлива и типом топочного устройства, то из уравнений (2), (3) определяют возможную температуру пламени Уравнение (3) указывает также возможные пути повышения калориметрической температуры . Это снижение избытка воздуха и подогрев воздуха, используемого на горение топлива, а также подогрев жидкого топлива. Уравнение (3) показывает, что повышение практической температуры горения достижимо, прежде всего, за счет снижения тепловых потерь.
Приведем расчет горения малосернистого мазута, сжигаемого в выносной топке
В качестве исходных данных возьмем:
1. Состав мазута по справочным данным на рабочую массу (%):
Ср=85,3; Нр=10,2; N^0,3; 0Р=0,4; 8Р=0,5;^=3; ^Р=0,3.
2.Влагосодержание воздуха, согласно климатологическим таблицам и H-d диаграмме, ^=10г на 1кг сухого воздуха.
3.Требуемая практическая температура горения ?п=1050 С (1323 К).
Целью работы является определить влагосодержание, энтальпию
дымовых газов и расход воздуха на горение топлива.
Расчет ведем по стехиометрическим соотношениям химических уравнений реакций окисления горючих составных частей топлива [1]. Результаты расчета приведены в таблице 1, 2 столбец строки 1-7. Для упрощения расчет будем вести для 100 кг топлива. В этом случае количество отдельных составных частей топлива в 100 кг будет численно равно процентным соотношениям его состава. Плотности продуктов горения являются справочными величинами. Числа столбца 5 (строка 8) суммируют с учетом минусового знака у кислорода топлива
(строка 5, столбец 5), так как кислород, содержащийся в составе топлива, участвует в окислении горючих частей последнего. Поэтому на величину кислорода, содержащегося в составе топлива, уменьшается количество кислорода, вовлекаемого из атмосферного воздуха в процесс горения. Азот и влага являются негорючими веществами. Поэтому они без изменения количества (влага в виде водяных паров) переходят в состав дымовых газов, что условно обозначено стрелками в столбец 3 (строки 4 и 7). Отношение 77:23 в строке 9 соответствует процентному содержанию азота и кислорода в атмосферном воздухе по массе. Множитель 0,001 в строке 10 соответствует переводу граммов в килограммы.
Итог, подсчитанный в строке 11, определяет количество продуктов горения (столбец 18, 19) и расход воздуха (столбец 20, 21) при теоретическом количестве воздуха, без его избытка (а=1), когда весь кислород участвует в реакциях процесса горения. Практически для повышения степени химической полноты горения в процесс вводят некоторое избыточное количество воздуха, характеризуемое коэффициентом избытка воздуха. Его значения рассчитывают из теплового баланса процесса горения 1 кг топлива, имея в виду необходимость достижения требуемой практической температуры горения топлива.
Используем уравнение теплового баланса (3) для процесса горения 1 кг топлива:
кДж/кг);£д=1358,9:100=13,59кг/кг(по табл. 1, столбец 20, строка 11); Св=1,005 кДж/(кг С); температуру воздуха, принимаем ?в=100С (при сжигании мазута воздух обязательно подогревают до 100.150 С. При сжигании топлива в печах также часто используют подогретый воздух из
41 450
(6)
зоны остывания печей); температуру топлива, принимаем ¿т=100 С (мазут подогревают до 80.100 С для обеспечения необходимой дисперсности капель); Ст- теплоемкость топлива (мазута) определяют по формуле:
Ст = 1,74 + 0,00252^, кДж/(кг-°С); (7)
теоретическое количество продуктов горения 1 кг топлива. Согласно расчету горения = 1458,58:100=14,6 кг на 1 кг топлива
(табл. 1, столбец 18, строка 11); ¿к - калориметрическая температура горения, °С.
Её находят по формуле:
где ¿п - требуемая практическая температура горения, назначаемая по условиям технологии. Для нашего расчета ?П=Ю50 калориметрический коэффициент процесса горения (коэффициент прямой отдачи). Для топочных устройств можно принимать ^=0,9. Тогда:
с = = 1170 °С:
Сд-теплоемкость продуктов горения по массе (дымовых газов).Она может быть подсчитана как средневзвешенная теплоемкость газовой смеси по известным формулам термодинамики.
Для проектных расчетов допустимо также пользоваться приближенной формулой теплоемкости дымовых газов по массе (кДж/(кг С)):
Принимая в нашем случае ¿к=?д=1170 С, получаем:
.
Из уравнения (6) находим:
... = ^ ~-т > = = (10)
¿д'Сд'^К-¿е'^Е'^Е 14.б- 1170-1,115 -13,59-1,005-100 ' ^ '
При этом избытке воздуха продолжим расчет горения топлива (табл. 1, строки 12-15) [1].
Если дымовые газы предназначены для использования в качестве теплоносителя в сушилке, то возникает необходимость дополнительно определить их влагосодержание и энтальпию /д. Вычисляем влагосодержание дымовых газов:
= (11)
масса водяных паров в дымовых газах, отнесенная на 1кг топлива; в нашем случае она равна 1,257кг (табл. 1, столбец 10, строка — масса сухих дымовых газов от сжигания 1кг топлива;
= "'-к::. (12)
В нашем случае к. = = 30.99 кг.
100
(13)
. 1,2571000 л
Тогда, йт =-= 4и,о г. на 1 кг сухих газов.
д 30.99
Энтальпию продуктов горения, отнесенную к 1кг сухих дымовых газов, определяют по формуле:
д ~~ г.
_ гг 41450+199+31,26 -1,005-1000 „ . . г _ п „
Тогда,л, =-= 1445.3 кдж на 1 кг сухих газов.
д 30.99
По значениям dд и Нд находят на Н - d диаграмме точку, соответствующую состоянию дымовых газов [5].
Приведённая методика позволяет определить параметры, необходимая для горения топлива.
Литература
1.Михайловский В. П., Мартемьянова Э. Н., Ушаков В. В. Расчеты горения топлив, температурных полей и тепловых установок технологии бетонных и железобетонных изделий. Учебное пособие, - 2011. 2б4 - с.
2.Гущин С. Н. Расчеты горения топлив. - Книга. -1995.48 - с.
3.Равич М. Б. Эффективность использования топлива. - Книга. -1977. 344 - с.
4.Зельдович Я. Б., Бернблатт Г. И., Либрович В. Б. Математическая теория
горения и взрыва. - Книга. -1980. 478 - с.
5.Колесников Т. М., Попов В.М., Кукин П.П., Протасов В. В., Северенчук П. Н., Шульга Л. В., Юшин В. В. Теория горения и взрыва. Учебное пособие для бакалавра. -2015. 435 - с.
6.Кочнева О.С., Павлов Г.И., Сахабутдинов Ж.М. Экспериментально-теоретические исследования нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубе// Вестник казанского технологического университета, 2007, №3, с. 137-143.
References
1. Mihajlovskij V. P., Martem'janova Je. N., Ushakov V. V. Raschety gorenija topliv, temperaturnyh polej i teplovyh ustanovok tehnologii betonnyh i zhelezobetonnyh izdelij. Uchebnoe posobie, - 2011. 2б4 - s.
2. Gushhin S. N. Raschety gorenija topliv. - Kniga. ---1995.48 - s.
3. Ravich M. B. Jeffektivnost' ispol'zovanija topliva. - Kniga. -1977. 344 - s.
4. Zel'dovich Ja. B., Bernblatt G. I., Librovich V. B. Matematicheskaja teorija gorenija i vzryva. - Kniga. -1980. 478 - s.
5. Kolesnikov T. M., Popov V.M., Kukin P.P., Protasov V. V., Severenchuk P. N., Shul'ga L. V., Jushin V. V. Teorija gorenija i vzryva. Uchebnoe posobie dlja bakalavra. -2015. 435 - s.
6. Kochneva O.S., Pavlov G.I., Sahabutdinov Zh.M. Jeksperimental'no-teoreticheskie issledovanija nestacionarnogo vzaimodejstvija gorjashhej kapli s akusticheskim potokom gaza v trube// Vestnik kazanskogo tehnologicheskogo universiteta, 2007, №3, s. 137 - 143.
Таблица 1. Расчет горения малосернистого мазута (на 100 кг)
№ Ход расчета -о 8 1 д ор гк ч Состав и количество продуктов горения при нормальных условиях Расход воздуха
п/ = * § У « 1 . § * Плотность продуктов горени кг/м3 СО2 Н2О 8О2 N2 О2 всего
п Элемента рный состав топлива, % по массе Реакция горения ын до о 1 | а 1 3 1 ь § 1 Расход кисло кг, на 100 топлива ® § § н тс Й " « ле чи д ил >> § Й ок г с = кг м3 кг м3 кг м3 кг м3 кг м3 кг м3 кг м3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
1 Ср - 85,3 С+О2= СО2 2,67 85,3*2,67=227,7 3,67 1,977 313 158,3 - - - - - - - - 313,05 158,34 - -
2 Нр - 10,2 Н2+5О2= Н2О 8 10,2*8=81,6 9 0,805 5 - 91,8 114,04 - - - - - - 91,8 114,04 - -
3 8р - 0,5 8+ О2= 8О2 1 0,5*1=0,5 2 2,86 - - - - 1,0 0,35 - - - - 1,0 0,35 - -
4 N - 0,3 ^^ N - - - 1,25 - - - - - - 0,3 0,24 - - 0,3 0,24 - -
5 Ор - 0,4 - - (-0,4) - 1,43 - - - - - - - - - - - - - -
6 Ар - 0,3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
7 - 3 Wд - - - 0,805 - - 3 3,73 - - - - - - 3 3,73 - -
8 Итого; - 309,45 - - 313,05 158,34 94,8 117,77 1,0 0,35 0,3 0,24 - - 409,15 267,7 - -
9 Расчет: При а=1 N2=1035,98 кг 1,25 - - 1035,98 828,79 - - 1035,98 828,79 - -
10 При ¿=10г на кг сухого воздуха Н2О=13,45кг - - - 0,805 - - 13,45 16,71 - - - - - - 13,45 16,71 - -
11 Итого при а=1 - - - - 313,05 158,34 108,45 134,48 1,0 0,35 1036,3 829,03 - - 1458,58 1122,2 1358,9 1051
12 При а=2,30д=711,7 кг - - - 1,43 - - - - - - - - 402,3 281,3 402,3 281,3 - -
13 N2= 2382,6 кг - - - 1,25 - - - - - - 2382,6 1906,1 - - 2382,6 1906,1 - -
14 Н2О=30,9 кг - - - 0,805 - - 30,9 38,4 - - - - - - 30,9 38,4 - -
15 Итого при а=2,3 - - - - 313,05 158,34 127,5 156,15 1,0 0,35 2382,9 1906,3 402,3 281,3 3224,9 2502,4 3125 2417
16 Количество сухих дымовых - - - - - - - - - - - - - - 3099,2 - - -
газов
Ь«р;//ед .kubagro.ru/2017/08/pdf/101.pdf
