Стехиометрические уравнения горения серы и углерода

Стехиометрические уравнения горения серы и углерода.

Стехиометрия-это учение о количественных отношениях, в которых вещества вступают в химическу реакцию друг с другом.

Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по стехиометрическим уравнениямгорения, которые записывают для 1 кмоля каждой горючей составляющей.

Стехиометрические уравнения горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид:

С + О₂ = СО₂: S + O₂ = SO₂
1 моль + 1 моль=1 моль; 1 моль + 1 моль=1 моль;

0 об.ч + 1 об.ч=1 об.ч 0 об.ч + 1 об.ч=1 об.ч

12кг С + 32кг О₂ = 44кг СО₂ ; 32кг S + 32кг O₂ = 64кг SO

Билет

19)Сжигание топлива в плотном фильтрующем слое.

слоевой вид сжигания применяется только для кускового твердого топлива, которое размещается плотным слоем на воздухораспределительной решетке.

3-ввод воздуха в слой топлива

4-вывод золы из слоя

5-вывод газообразных продуктов

6-ввод твердого топлива

Слой топлива продувается воздухом, со скоростью при которой устойчивость слоя не нарушается.

При этом способе сжигания, используется топливо классов: семечко, мелкий, орех.

При попадании в горящей слой кусок угля интенсивно прогревается, из него выделяется влага и разрабатывается в нем поверхность внутренних пор. Выход влаги и летучих веществ изменяет структуру угольного вещества. Эти процессы протекают в узкой зоне у поверхности слоя, не превышающей размера среднего куска угля.

При слоевом сжигании высоту слоя стараются поддерживать на уровне близком к высоте кислородной зоны. В случае, если высота слоя больше, то для дожигания газообразных продуктов неполного горения СО и Н2 и др, а так не сгоревших в слое выделившихся веществ, над слоем вводят дополнительный приток воздуха.

Дата добавления: 2015-07-14 ; просмотров: 184 | Нарушение авторских прав

Теоретически необходимое количество воздуха и объемы продуктов сгорания

Под теоретически необходимым понимают количество воздуха, которое требуется для полного окисления 1 кг твердого или жидкого либо 1 м 3 газообразного топлива. При этом считают, что кислород топлива затрачивается на окисление горючих элементов. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания вычисляют из стехиометрических уравнений реакций горения, записанных для каждого горючего составляющего, т. е. углерода, серы и водорода:

На один килограмм углерода требуется 32/12 килограмма кислорода, на 1 кг серы требуется 32/32 килограмма кислорода, на 1 кг водорода требуется 32/4=8 килограмм кислорода. Доля соответствующих горючих элементов в 1 килограмме твердого или жидкого топлива составляет соответственно: , , , плотность кислорода в нормальных условиях = 32/22,4 = 1,429 кг/м 3 . Тогда суммарный объем кислорода необходимый для полного окисления горючих элементов топлива составит, м 3 /кг,

. (5.1)

Учитывая, что в данном объеме воздуха содержится 21 % кислорода, и подставляя численное значение для плотности кислорода, в окончательном виде получим выражение для расчета теоретически необходимого количества воздуха при сжигании твердого или жидкого топлива в виде, м 3 /кг,

. (5.2)

Теоретически необходимый объем кислорода для окисления 1 м 3 газообразного топлива рассчитывают по стехиометрическим уравнениям реакций для газообразных компонентов топлива:

На окисление одного объема оксида углерода и водорода требуется по пол-объема кислорода, на окисление одного объёма сероводорода требуется полтора объёма кислорода, на окисление одного объёма метана требуется два объёма кислорода и, наконец, на окисление одного объёма углеводорода состава С_mH_n требуется (m+n/4) объёмов кислорода. Переводя процентное содержание газообразных компонентов в доли и учитывая объёмное содержание кислорода в воздухе (1/100/0,21=0,0476), получим выражение для расчета теоретически необходимого объема воздуха для окисления 1 м 3 газообразного топлива в виде, м 3 /м 3 ,

. (5.3)

Для обеспечения полного выгорания топлива в топке воздух подают в количестве всегда несколько большем теоретически необходимого. Отношение действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха .

При тепловых расчетах котла энтальпию продуктов сгорания за каждой поверхностью нагрева определяют по составу дымовых газов и температуре. Для расчета энтальпий продуктов сгорания необходимо с достаточной точностью рассчитывать объемы продуктов сгорания. Реакции горения при высоких температурах идут с большой скоростью, поэтому состав конечных продуктов близок к равновесному. Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м 3 газообразного можно записать в следующем виде:

. (5.4)

При полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива либо 1 м 3 газообразного , а также отсутствии избыточного воздуха в образующихся газообразных продуктах должны содержатся лишь продукты полного окисления горючих элементов СО₂, SО₂, Н₂О и азот воздуха N₂. Получающиеся в этом случае объемы газов называют теоретическими:

. (5.5)

Теоретический объем сухих трехатомных газов при сжигании твердого и жидкого топлива составит, м 3 /кг:

. (5.6)

При сжигании газообразного топлива объем сухих трехатомных газов составит, м 3 /м 3 :

(5.7)

Теоретический объем азота:

— при сжигании твердого и жидкого топлива, м 3 /кг:

; (5.8)

— при сжигании газообразного топлива, м 3 /м 3 ,

(5.9)

Теоретический объем водяных паров включает влагу, образующуюся при окислении водорода топлива за счет перехода влаги топлива в газообразное состояние, за счет влаги, содержащейся в воздухе:

(5.10)

где – влагосодержание, принимаемое в расчетах равным 0,01 кг/кг; и — плотность воздуха и водяных паров соответственно, м 3 /кг; G_ф – удельный расход пара на распыл мазута (обычно составляет 0,3 кг/кг при использовании паровых форсунок).

При сжигании газообразного топлива, м 3 /м 3 :

. (5.11)

Избыточное количество воздуха приводит к увеличению объема азота и водяных паров в продуктах сгорания. Кроме того, в продуктах сгорания появляется кислород . Таким образом, действительный объем продуктов сгорания может быть рассчитан так, м 3 /кг (м 3 /м 3 ):

. (5.12)

Объем сухих газов, м 3 /кг (м 3 /м 3 ):

(5.13)

Итак, отношение действительно поданного на сжигание топлива к теоретически необходимому называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

. (5.14) (5.17)

В практике значение коэффициента избытка воздуха фиксируют на выходе из топочной камеры и обозначают a_т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает. Оно относится по условиям горения к реакционным топливам, поэтому нуждается в меньшем избытке воздуха, чем топливо с малым выходом летучих веществ. Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигается при использовании газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха a_тнормируется в зависимости от указанных факторов. Обычно его принимают для разных топлив в следующих пределах:

для твердых 1,15¸1,25,

для газовых 1,05¸1,1.

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения a_т ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки a_т равен его значению в горелке a_гори сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными (исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель).

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через возникающие неплотности (чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла).

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов (рис. 5.1). Присосы определяются в долях от теоретически необходимого воздуха

, (5.15)

где DVi — объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Рис.5.1. Места присоса холодного воздуха в газовый тракт котла

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

. (5.15)

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Da_т. С учетом этого избыток воздуха в зоне горелок будет составлять

. (5.16)

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла, можно найти по следующей формуле:

, (5.17)

Объем V_ух состоит из объема продуктов полного сгорания топлива и всего избыточного воздуха DV_изб, которое можно разделить на две составляющие:

, (5.18)

где (a_т-1) — избыток воздуха в зоне горения.

Первое слагаемое в формуле (5.18) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое — вредные присосы холодного воздуха в последующих поверхностях нагрева.

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом — путем определения процентного содержания RO₂=CO₂+SO₂ в сухих газах при известном для данного топлива максимально возможном значении RO . Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при ά = 1 и О₂ = 0):

. (5.19)

где b_т — топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива

. (5.20)

Значения RO для видов топлив находятся довольно в узких пределах:

для твердых — 18-20%,

для мазута — 16-17%,

для природного газа — 11-13%.

В этом случае для определения избытка воздуха используют углекислотную формулу

. (5.21)

Значение RO₂ определяют в составе исследуемого газа ручными газоанализаторами либо на хроматографе.

В настоящее время наиболее широко применяется прямой метод определения избыточного кислорода в потоке дымовых газов. В этом случае контроль за избытком воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. При постоянном протоке через прибор небольшой доли дымовых газов из заданного места газового тракта из них выделяется кислород, обладающий специфическими магнитными свойствами. Прибор показывает количества О₂ в процентах от объема осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

. (5.22)

С учетом ранее сказанного объем V_с.г @ a , тогда

. (5.23)

и окончательно искомое значение избытка воздуха

. (5.24)

Если в дымовых газах есть заметное количество продуктов неполного сго­рания (СО, Н₂), то нельзя весь кислород считать избыточным. Часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов, тогда формула

(5.25)

где СО, Н₂ – процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.

Контроль за избытком воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта: в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долюприсосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение О₂ в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха на выходе из топки технически затруднительно и неудовлетворительно до требуемой точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.

Основы теории горения топлива

Процессом горения называется реакция соединения вещества с кислородом, сопровождающаяся интенсивным тепловыделением.

В результате процесса горения скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Для успешного проведения процесса горения необходимо создать определенные условия.

Горение топлива производится в атмосферном воздухе, который содержит;

— в объемном соотношении — 21 % 02 и — 79 % Ы2 (включая ряд других газов и примесей);

— в весовом соотношении 23,2 % 02 и 76,8 % И2.

Поэтому в продуктах сгорания всегда присутствует азот, а при горении топлива с избытком воздуха — кислород.

Стехиометрические уравнения реакций горения топлива

В процессе горения принимают участие только горючие составные части топлива. При этом происходят следующие химические процессы;

1) Реакция горения углерода;

» title=»Основы теории горения топлива» align=»left» width=»22″ height=»23″ style=»margin-left:3px;margin-right:-3px» />

2) Реакция горения водорода;

3) Реакция горения серы;

Аналогичные молярные, весовые а так же объемные соотношения можно написать для реакций горения остальных горючих элементов

Приведенные стехиометрические уравнения являются итоговым результатом и не отражают всей сложности механизма реакции горения.

Горение топлива может быть полным — с образованием негорючих продуктов (С02, Н20 и Б02) и неполным, когда в составе продуктов сгорания присутствуют СО, СН4, Н2 и углеводороды СтНп.

Обычно показателем неполного сгорания топлива является присутствие в продуктах сгорания топлива окиси углерода — СО.

Теоретическое и действительное количество воздуха:

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, может быть рассчитано из стехиометрических уравнений горения.

Количество кислорода, необходимое для сгорания 1 кг мазута, за вычетом кислорода, содержащегося в самом топливе, определяется по формуле;

¥0 = 1,866 — + 0,7 — + 5,6 Н

2 ‘ 100 ‘ 100 ‘ 100 100р0г

Учитывая, что в воздухе содержится -21 % кислорода, получим теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг мазута;

V0 = -°^ = 0,0889 Ср + 0,375Бр)+ 0,265Нр -0,03330р

Обычно величина V0 может быть оценена с достаточной точностью по эмпирической формуле;

Действительное количество воздуха, необходимого для сжигания 1кг топлива, всегда больше теоретического. Отношение действительного подведенного количества воздуха к теоретически необходимому для сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха;

На практике это значение может достигать;

— для главных котлов — а = 1,1 ^ 1,2

— для современных котлоагрегатов — а = 1,03 ^ 1,05

— для вспомогательных котлов — а = 1,2 ^ 2,0

Коэффициент избытка воздуха зависит от ряда факторов; совершенства организации топочного процесса, аэродинамических характеристик топки, качества распыливания топлива, рода топлива и т. д.

Снижение коэффициента избытка воздуха всегда приводит к неполноте сгорания топлива, что в свою очередь способствует уносу частичек топлива вместе с дымовыми газами и снижает КПД котла. Повышение ^ приводит к затратам тепла (и топлива) на нагревание «лишнего» воздуха, поступающего в топку котла и также снижает КПД котлоагрегата.

Внешними признаками качественного горения топлива являются;

— оптимальное для данной нагрузки котла соотношение «топливо — воздух» при бездымном горении;

— равномерное горение без взрывов, хлопков, вибраций фронта котла;

— отсутствие в дымовых газах СО и соответствие значения С02 значению в формуляре котла;

— отсутствие коксования топлива на кирпичной кладке и поверхностях нагрева;

— отсутствие догорания топлива в газоходах.

Оценка качества горения только по отсутствию дымления может привести к грубым ошибкам, так как бездымное горение может быть реализовано в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха от 1,2 до 2 и более. Косвенно судить о качестве процесса горения можно по цвету пламени. При нормальном горении топлива цвет факела должен быть яркого соломенно-желтого или светло-оранжевого цвета. Красный или темно-оранжевый цвет факела с появляющимися темными полосами и черным дымом из дымовой трубы говорит о низком значении коэффициента избытка воздуха, ярко-белый цвет факела с отдельными искрами и появлением белого дыма из дымовой трубы означает избыток подаваемого воздуха.

При теплотехнических испытаниях котла, проводимых с целью определения его показателей, всегда определяют коэффициент избытка воздуха по результатам анализа дымовых газов. При этом обычно пользуются следующими формулами;

TOC o «1-5» h z 1 21,8 1

А =___________ ___ ____ _____ а=——————— —— • а =

(Я02 + 02)-СО ’ 2 2 21И2

где; ^О2, О2, СО, Ы2 — процентные содержания соответственно;

Трехатомных газов (Я02, С02 и аналогичных), кислорода, окиси углерода и азота в продуктах сгорания, определяемые с помощью газоанализаторов при работе котла. Определение суммарной концентрации трехатомных газов происходит из-за того, что газоанализатор не может определять концентрации этих газов по отдельности, а показывает суммарную их концентрацию.

Для определения коэффициента избытка воздуха по последней формуле необходимо сначала определить содержание в сухих газах ЯО2 и О2, а содержание N находят как N = 100

При эксплуатации котла для определения коэффициента избытка воздуха можно пользоваться приближенной формулой;

Энтальпия продуктов сгорания.

В топке парового котла при сжигании топлива выделяется тепло, которое передается продуктам сгорания и идет на повышение их температуры. При движении продуктов сгорания через поверхности нагрева происходит процесс передачи тепла от газов к воде и пару. При этом температура продуктов сгорания уменьшается.

Тепловое состояние продуктов сгорания характеризуется их энтальпией, которая является основным параметром тепловых эффектов в процессах подвода и отвода теплоты.

Энтальпией продуктов сгорания называется количество теплоты, необходимое для нагревания продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг топлива, от 0 °С до заданной температуры — t.

Количество тепла, полученное продуктами сгорания, можно определить по формуле;

Q = УГср — t2) , [кДж/кг]

Где; Уг — полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива [нм3/кг];

СР — средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания [кДж/нм3 -°С; 11 и 12 — высший и низший температурные уровни продуктов сгорания;

Приняв ^ = 0, и учитывая, что процессы горения и теплообмена являются изобарными, величину Q можно назвать энтальпией продуктов сгорания;

I = УГс^, [кДж/кг

При тепловых расчетах котлов для определения энтальпии дымовых газов обычно пользуются тепловой

Диаграммой продуктов сгорания (I — t диаграммой), которая строится в зависимости от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.

Эта диаграмма представляет собой семейство кривых, построенных по расчетам воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива данного состава и определения объемов компонентов продуктов сгорания.

Топки паровых котлов. Организация топочного процесса. Топочные устройства. Организация дутья в паровых котлах