Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание icon

Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание




Скачати 268.38 Kb.
НазваТема 14. Газообразное топливо и его сжигание
Дата17.02.2014
Розмір268.38 Kb.
ТипДокументи
1. /4 курс/_стор_я _нженернох д_яльност_.doc
2. /4 курс/Безпека життєд_яльност_.doc
3. /4 курс/Г_дравл_ка, г_дро- _ пневмопривод.doc
4. /4 курс/Детал_ машин.pdf
5. /4 курс/Електротехн_ка, електрон_ка _ м_кропроцесорна техн_ка.doc
6. /4 курс/КР Гидравлика, гидро- и пневмопривод.doc
7. /4 курс/М_кроеконом_ка.rtf
8. /4 курс/Обладнання та транспорт механообробних цех_в.doc
9. /4 курс/Основи еколог_х.doc
10. /4 курс/Основи математичного моделювання,для _М901.doc
11. /4 курс/Р_зальний _нструмент/Контрольная РИ/Р_зальний _нструмент.doc
12. /4 курс/Р_зальний _нструмент/Курсовой РИ/Р_зальний _нструмент КР.doc
13. /4 курс/Р_зальний _нструмент.doc
14. /4 курс/Теор_я р_зання.doc
15. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 10c. Кратко.doc
16. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 11c. Кратко.doc
17. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 12c. Кратко.doc
18. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 13с. Кратко.doc
19. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 14с. Кратко.doc
20. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 15с Кратко.doc
21. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 1с. Кратко моя.doc
22. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 1с. Кратко.doc
23. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 2с. Кратко.doc
24. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 3с. Кратко.doc
25. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 4c. Кратко.doc
26. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 5c. Кратко.doc
27. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 6с. Кратко.doc
28. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 7c. Кратко.doc
29. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 8c. Кратко.doc
30. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Конспект лекций/ОТТ. Тема 9с. Кратко.doc
31. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Метод. ТОТзаочн.doc
32. /4 курс/Теоретические основы теплотехники/Раб. пр. ТОТ.doc
33. /4 курс/Технолог_чн_ методи виробництва заготовок деталей машин.doc
Методичні вказівки і індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Різальний інструмент» для студентів спеціальності 090202
Методичні вказівки і індивідуальні завдання з дисципліни «Історія інженерної діяльності» для студентів спеціальностей 090202, 090218, 092301
Методичні вказівки до вивчення матеріалу кожної теми та наводяться запитання для контролю якості засвоєння тем. Даються методичні вказівки до виконання контрольної роботи, а також варіанти вихідних даних для неї
Методичні вказівки до вивчення дисципліни 8 Тема 1 Тема 2
Методичні вказівки до вивчення дисципліни «Електротехніка, електроніка і мікропроцесорна техніка», література, пояснення до виконання індивідуальних завдань
Методические указания и индивидуальные задания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Гидравлика, гидро- и пневмопривод» для студентов специальности 090202 технология
Методичні вказівки до виконання індивідуальних робіт з дисципліни «Мікроекономіка» Тематика індивідуальних завдань з дисципліни «Мікроекономіка»
Дисципліна " Обладнання та транспорт механообробних цехів ", що є базою для вивчення таких спеціальних дисциплін, як "Технологія машинобудування", "Проектування і виробництво металорізального інструменту" і ін
Методичні вказівки та контрольні завдання для студентів заочної
Методичні вказівки до виконання контрольної роботи з дисципліни "Основи математичного моделювання" для студентів спеціальності 090202
Методичні вказівки і індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Різальний інструмент» для студентів спеціальності 090202
Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Різальний інструмент» для студентів спеціальності 090202
Методичні вказівки до вивчення дисципліни "Теорія різання", наведені: рекомендована література, робоча програма і пояснення до тем лекцій, лабораторних занять, питання з самоконтролю
Топливо и его характеристики 13 Виды топлива и их особенности
11. Теплообмен излучением
12. Сложный теплообмен
10. Конвективный теплообмен
Тема основные термодинамические понятия и законы
Тема основные термодинамические понятия и законы
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание
Тема 15. Твердое и жидкое топливо и их сжигание >15 Расчет горения твердого и жидкого топлива Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения
Тема теплоёмкость газов
Закон термодинамики
Тема термодинамические процессы
Закон термодинамики
6. Теоретические основы теплотехники 1998г
7. Тепловые двигатели
8. Теоретические основы теплотехники 1998г
9. Теплопроводность
Методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни "Теоретичні основи теплотехніки" для студентів спеціальностей 090202, 090218
Національна металургійна академія україни
Методичні вказівки і індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Технологічні методи виробництва заготовок деталей машин» для студентів спеціальності 090202

Тема 14. Теоретические основы теплотехники 1998г.


Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание


Сжигание газов производится в топочной камере, куда горючая смесь подается через горелки. В топочном пространстве в результате сложных физико-химических процессов образуется струя горящего газа, называемая факелом.

В зависимости от способа подачи воздуха, необходимого для горе­ния, возможны следующие виды сжигания газов:

горение однородной газовой смеси, когда сжигается предварительно подготовленная горючая газовая смесь;

диффузионное горение газов, когда газ и воздух пода­ются раздельно;

горение смеси газов с недостаточным количест­вом воздуха, когда газ подается в смеси с воздухом, но количество последнего недостаточно для полного сгорания.


14.1. Горение однородной газовой смеси

В однородной предварительной перемешанной смеси интенсивность горения зависит только от кинетики самих химических реакций, поэто­му такой вид горения называют кинетическим.

Горение однородной газовой смеси происходит благо­даря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступающей в топочную камеру. В зависимости от характера движения горючей смеси различают ламинарное горение и турбулентное горение. Вначале рассмотрим ламинарное горение.

В горелку, расположенную вертикально, во избежание искривления факела подается однородная смесь. При ламинар­ном движении смеси скорость ее движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на вы­ходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она воз­растает, достигая максимального значения на оси горелки.

При зажигании в устье горелки вблизи ее обреза в точках, где ско­рость потока равна скорости нормального распространения пламени Un, пламя держится устойчиво, образуя зажигающее кольцо, обеспе­чивающее непрерывное зажигание поступающей смеси по периферии струи. У стенок горелки, где скорость смеси менее чем Un, пламя не мо­жет проникнуть в горелку, так как вследствие теплоотдачи через стенки скорость распространения пламени уменьшается и становится меньше скорости струи в этом месте.

Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате за­медленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа из потока наружу.

Пламя в процессе распространения от перифе­рии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообраз­ный факел. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко-голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел четко выделяется.

Чем больше скорость распространения пламени и меньше скорость потока, тем короче факел, и, наоборот, чем меньше Un и боль­ше W, тем длиннее факел. При данной скорости выхода смеси из горел­ки длина факела зависит от скорости распространения пламени, т. е. от природы сжигаемого газа, его концентрации в смеси и температуры га­зовоздушной смеси. С увеличением диаметра горелки длина факела увеличивается.

Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причем глубина зоны горения составляет десятые доли милли­метра, основной же объем факела остается инертным.

Если в смеси имеется избыток горючего (<1), то за счет воздуха, содержащегося в смеси в голубом конусе, сгорает лишь часть горючего газа. Избыток газа, пройдя зону горения, смешиваясь с воздухом окру­жающей атмосферы, сгорает, образуя вторичное пламя факела вблизи голубого конуса. При >1 все количество газа сгорает в голубом кону­се факела.

Фронт пламени однородной смеси принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности, в каждой точке которой нор­мальная к ней слагающая Wn скорости движения газа равняется нор­мальной скорости распространения пламени Un.

(14-1)

В формуле:

W — местная скорость потока;

 — угол между направлением внешней нормали к фронту пламени и местной скоростью потока.

Из соотношения (14-1) видно, что скорость струи может значительно превышать Un, не вызывая срыва горения. Но W не должна быть мень­ше Un во избежание устремления пламени в горелку.

Если бы горючая смесь находилась в покое, то из произвольной точ­ки фронта пламя за некоторое время  переместилось бы внутрь факела по нормали к поверхности фронта на расстояние Un. Но смесь движется и за это время пламя относится по вертикали на расстояние W. Соответственно каждая последующая равновесная точка фронта пламени смещается все глубже и выше до достижения оси факела на определенном удалении от устья горелки. Совокупность таких равновесных точек зоны горения в потоке образует коническую поверхность факела, опирающегося на обрез круг­лой горелки.

Опыты показывают, что, ослабляя эффективность действия зажигающего кольца ускорением течения окружающей среды вдоль внешней поверхности горелки, можно перемещать факел или сов­сем оторвать его от горелки и погасить. Напротив, при неизменных условиях течения на периферии можно увеличить скорость течения средней части струи на выходе из горелки или среды в области верхней части конуса, не нарушая устойчивости факела. Следовательно, для образова­ния устойчивого факела в периферийной нижней части конуса, опираю­щейся на горелку, необходимо соблюдение условия равновесия W=-Un.

Условие равновесия по соотношению дает связь между ско­ростью перемещения элемента фронта пламени и скоростью набегающе­го потока смеси в факеле, находящемся в устойчивом состоянии за счет наличия зажигающего кольца.

Стабилизация ламинарного факела зажигающим кольцом осуществ­ляется в пограничном слое потока, в котором создаются благоприятные гидродинамические и тепловые условия, при которых пламя может су­ществовать устойчиво.

С увеличением скорости истечения смеси без нарушения условия W=-Un на периферии горелки положение фронта факела согласно (14-1) будет сохранено за счет увеличения высоты голубого кону­са, так как при этом увеличивается угол . Дальнейшее увеличение скорости истечения выше некоторого значения приводит к отрыву и пога­санию факела. В зависимости от природы газа и состава смеси существует верхний предел устойчивости пламени, т. е. максимальная скорость истечения, превышение которой приводит к отрыву пламени.

Таким образом, устойчивость зажигания факела обусловливается образованием зажигающего кольца вне горелки, а проникновению пламени внутрь горелки препятствует кольцевая зона охлаждающего дей­ствия стенок у края горелки. Следовательно, для случая отрыва сущест­венной является обстановка на выходе из горелки, а для случая проскока - обстановка внутри трубки горелки. Проскок и отрыв пламени происходят из-за нарушения условия W=-Un вблизи устья горелки.

Устойчивость факела определяется естественной или искусственной стабилизацией его корневой части.

Форма факела зависит от геометрического расположения очага за­жигания, а его размеры определяются размером горелки и устойчивым положением равновесия между перемещением элемента фронта пламе­ни и скоростью набегающего потока.

Метод сжигания однородной газовоздушной смеси в ламинарном потоке не имеет промышленного распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах.


14.2. Турбулентное горение однородной газовой смеси

Для интенсификации горения сжигание газов производится при больших скоростях газового потока и, следовательно, при турбулент­ном режиме его движения.

Атмосферные горелки с развитием факела в открытой атмосфере работают малоустойчиво, так как в них нельзя осуществить горение при больших скоростях истечения смеси. Появляющийся спутный поток охлаждает зажигающее кольцо, оно теряет поджигающую способность и факел погасает.

Для стабилизации турбулентного факела необходимо обеспечить его устойчивое зажигание. Последнее достигается сжиганием газа в про­странстве, заполненном накаленными продуктами сгорания. В процессе турбулентного расширения струи по мере увлечения топочных газов го­рючая смесь нагревается и одновре­менно разбавляется продуктами сгорания. Согласно теории неизо­термической струи нагрев струи происходит в турбулентном погра­ничном слое, в ядре же постоянных скоростей начального участка тем­пература остается неизменной и рав­ной температуре истечения. Нагрев происходит наиболее интенсивно по периферии струи и по мере удаления от устья горелки распространяется внутрь струи. По мере приближения к внешней границе струи температура повышается, а концентрация горючей смеси падает. От воспламенившихся периферийных слоев турбулентной теплопроводностью тепло передается соседним слоям, вызывая их по­следовательное воспламенение. Нагреву соседних слоев способствует также турбулентная диффузия.

Турбулентный режим движения также влияет на структуру поверх­ности горения. Под воздействием турбулентных пульсации фронт пла­мени искривляется, размывается, разрывается на отдельные очаги и непрерывно видоизменяется, но конусообразная форма сохраняется так как зажигание происходит по периферии струи. Поэтому и в этом случае значительная часть объема факела остается инертной, неиспользованной.

В конусе, ограниченном поверхностью воспламенения, движется еще не воспламененная смесь.


14.3. Ламинарное диффузионное

горение

В случае, когда через горелку подается газ, не содержащий в себе кислорода, при его поджигании горение происходит за счет потребления кислорода окружающего воздуха, поступающего посредством диффузии. Так как в данном случае газ и воздух подаются раздельно, а горение происходит в процессе их взаимной диффузии, причем скорость горения определяется интен­сивностью процесса смешения, то подобное го­рение называют диффузионным.

В зависимости от характера движения различают ламинарное диффузионное горение и турбулентное диффузионное горение.

Ламинарное диффузионное го­рение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Ки­слород, необходимый для горения, поступает из окружающей атмосферы и смешивается с горючим газом. Получаемая в результате мо­лекулярной диффузии смесь при поджигании образует факел, который при круглых горел­ках принимает конусообразную форму, так как по мере движения газ расходуется на го­рение и зона горения перемещается к оси струи, доходя до нее в вершине конуса.

Ламинарный диффузионный факел поддерживается стационарно, так же как при горении однородной смеси, за счет существования кольцевой зоны зажигания. В случае, когда в горелку подается только газ, а окру­жающая среда находится в покое, у кромки горелки газ диффундирует наружу и, смешиваясь с воздухом, образует смесь, которая в зоне малых скоростей устойчиво сгорает. Благодаря образованию более богатой сме­си в области зажигающего кольца и сгоранию ее в зоне меньших ско­ростей диффузионный факел обладает большей устойчивостью зажига­ния по сравнению с факелом однородной смеси.

При диффузионном горении также наблюдается явление отрыва факела. Но проскок пламени в горелку исключается из-за раздельной подачи горючего газа и воздуха.

Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где по­ступающие молекулярной диффузией количества газа и кислорода на­ходятся в стехиометрическом соотношении для полного горения. Это утверждение следует из того, что в зоне горения не может быть ни из­бытка газа, ни избытка кислорода, так как в противном случае она не может занять устойчивого положения.

Можно представить, что ламинарное диффузионное горение совершается следующим образом. Газ, вытекая из горелки, мо­лекулярной диффузией смешивается с кислородом воздуха, полученная горючая смесь при поджигании образует достаточно резко очерченный конусообразный светящийся факел. Фронт пламени устанавливается по поверхности, где смесь образуется в пропорции, теоретически необходи­мой для горения. В зону горения изнутри поступает газовое топливо в виде различных основных и промежуточных продуктов, а снаружи — кислород. Образующаяся горючая смесь воспламеняется за счет тепла, распространяющегося от фронта пламени. Химическое превращение со­вершается в узкой светящейся зоне фронта горения в смеси, которая значительно разбавлена горячими продуктами сгорания и тем самым сильно нагрета, но в которой концентрации горючих элементов и окис­лителя малы. В таких условиях химическое реагирование протекает наи­более интенсивно. Толщина зоны горения мала — не превышает 1 мм. Образующиеся продукты сгорания диффундируют как в окружающее пространство, так и внутрь факела. Поверхность пламени отделяет окис­лительную область вне факела, в которой имеются кислород и продук­ты сгорания и нет горючего, от восстановительной области внутри факе­ла, в которой нет кислорода, но есть газ и продукты сгорания.

Благодаря большой скорости химической реакции поступающие в зону горения газ и кислород практически мгновенно сгорают, в резуль­тате чего в зоне горения их концентрации равны нулю, а температура равна адиабатической. Большая скорость химической реакции обусловливает малую толщину пламени и позволяет рассмат­ривать ее как геометрическую поверхность, с одной стороны которой находится смесь воздуха с продуктами сгорания, а с другой — смесь га­за с продуктами сгорания.

С увеличением теплоты сгорания газа в результате увеличения коли­чества необходимого для горения воздуха длина факела увеличивается.

В заключение следует отметить особенность диффузионного вида горения, связанную с наличи­ем химической неполноты горения. В диффузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения. Вытекающий из горелки газ до поступления в зону горения нагревается за счет тепла, распространяющегося от пламени как теплопроводностью, так и посредством диффузии горячих продуктов сгорания. Некоторые газы, как, например, водород и окись углерода являются теплостойкими и при нагреве до температур 2500—3000 К сохраняют свою молекулярную структуру. Горение теплостойких газов происходит в прозрачном факеле бледно-голубого цвета.

Газы, содержащие углеводородные соединения, являются тепло нестойкими. В случае сжигания этих газов нагрев в восстановительной зоне в отсутствие кислорода вызывает их разложение с образованием сажи и водорода. Разложение углеводородосодержащих газов протекает тем интенсивнее, чем выше температура, при этом одновременно возрас­тает доля образующихся тяжелых, сложных, трудно сжигаемых углево­дородов. Например, разложение метана начинается при температуре около 680—700°С. При нагреве без доступа воздуха до 950°С разлагает­ся 26% метана, а при нагреве до 1150°С — 90%.

Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свобод­ного углерода, размеры которых чрезвычайно малы и составляют деся­тые доли микрона, раскалившись за счет выделившегося при горении тепла, излучают более или менее яркий свет, вызывая свечение пламе­ни.

Диффузионное горение частиц протекает сравнительно медленно, в результате чего часть свободного углерода и тяжелых углеводородов не успевает сгорать и в виде сажи покидает факел. Наличие углерода согласно равновесию С+СО2==2СО вызывает образование СО. Коли­чество углерода, тяжелых углеводородов и СО, присутствующих в про­дуктах сгорания, определяет величину химического недожога.


14.4. Турбулентное диффузионное

горение

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности смесеобразования. Так как массообмен при турбулентном течении про­исходит во много раз интенсивнее, чем при ламинарном режиме, то для промышленных целей более важным является способ турбулентного диффузионного сжигания не перемешанных газов.

Турбулентное диффузионное сжигание производится раздельной по­дачей газа и воздуха через горелки в камеру сгорания в среду горячих продуктов сгорания. Воздух может подаваться через те же горелки или помимо них через отдельные сопла.

Так как турбулентная струя облада­ет свойством автомодельности, а коэф­фициент турбулентной диффузии пропор­ционален скорости истечения и диаметру сопла, то положение зоны вос­пламенения и горения, определяемое как геометрическое место точек, где образу­ется смесь стехиометрического состава, при горелке данного размера не должно зависеть от скорости истечения. Равно и длина зоны воспламенения не должна зависеть от скорости истечения. При подсчете в калибрах диаметра при данном топливе она должна быть одинаковой для горелок различных размеров. При этом остается лишь зависимость относительной длины зоны воспламенения от стехио­метрического числа и концентрации кислорода в окружающей среде.

Длина зоны воспламенения диффузионного факела тем больше, чем больше теплота сгорания газа, так как для сжигания единицы массы газа должно поступить больше кислорода. Чем меньше содержание кис­лорода в окружающей среде, тем длиннее зона воспламенения. Напро­тив, при повышении концентрации кислорода в окружающей среде дли­на зоны воспламенения факела уменьшается.

Эти положения, полученные из теоретических исследований, под­твердились опытами.

Выделяющееся при химическом реагировании тепло посредством турбулентной теплопроводности и диффузии горячих продуктов сгорания передается образующейся горючей смеси, обеспечивая ее воспламенение и распространение пламени. Следовательно, положение зоны горения определяется условиями турбулентной диффузии, а скорость горения — скоростью последней. Дополнительным условием устойчивого горения является наличие достаточной скорости распространения пламени, так как в противном случае произойдет срыв пламени.

Зажигание турбулентного диффузионного факела происходит анало­гично зажиганию при турбулентном горении однородной газовой смеси. Турбулентная струя газа при своем распространении в топочном про­странстве вместе с воздухом увлекает также и горячие продукты сгора­ния, в результате чего смесь нагревается и воспламеняется. Зажигание диффузионного факела можно усилить организацией теплового, газодинамического и концентрационного режимов таким образом, чтобы по­высить интенсивность тепловыделения и, напротив, понизить интенсив­ность теплоотвода из зоны реагирования в области корня факела. В частности могут быть применены стабилизаторы различных типов.

Общая длина факела Lф превышает длину зоны воспламенения (Lз.в) на длину участка зоны догорания Lд. В этой зоне протекает догорание множества молей, на которые факел раздроблен под действием турбулентных пульсации. В них процесс смешения происходит в основ­ном за счет молекулярной диффузии, которая протекает медленно. При этом концентрации горючего газа и кислорода в зоне догорания малы. В этих условиях горение протекает сравнительно медленно, обусловли­вая значительную длину зоны догорания.

Длина зоны догорания равняется протяженности перемещения молей за время д их выгорания.

Опытами установлено, что с повышением начальной температуры газа длина факела заметно сокращается. Это объясняется влиянием температуры на коэффициент молекулярной диффузии и на кинематиче­скую вязкость.

На длину факела сильное влияние оказывает конструкция горелочного устройства и способ организации процесса сжигания в топках па­рогенераторов и в камерах сгорания различного назначения.

В заключение следует отметить, что из-за переноса масс горючего, продуктов сгорания и воздуха посредством перемещения множества отдельных молей фронт горения в турбулентном факеле получается вол­нистым, размытым, разорванным на отдельные части и слабо устойчи­вым. Кроме того, турбулентному диффузионному факелу, также как и ламинарному диффузионному факелу, по тем же причинам присуще образование химической неполноты сгорания.


14.5. Горение смеси газов с

недостаточным количеством воздуха

Рассмотрим горение смеси, содержащей воздух в количестве, недо­статочном для полного сгорания. В этом случае через горелку подается газ в смеси с воздухом, количество которого меньше, чем требуется для полного горения.

По выходе из горелки часть газа сгорает, соединяясь с кислородом, содержащимся в смеси, образуя у устья горелки конусообразный фронт пламени, положение которого определяется по законам образо­вания и горения однородной газо­воздушной смеси. Остаток несгоревшего газа вместе с продуктами сгорания пересекает зону горе­ния и сгорает после смешения с воздухом из окружающего про­странства, образуя вторую зону горения, положение которой подчиняется закону диффузионного горения. Таким образом, про­странство, занимаемое факелом, делится двумя зонами горения на три области. В области факела, расположенной между горелкой и первым фронтом пламени, движется еще не начавшая гореть смесь газа и воздуха. В об­ласти между двумя зонами горения находится несгоревший в первом фронте пламени газ в смеси с продуктами сгорания. И, наконец, вне диффузионной зоны горения находится смесь продуктов горения с воз­духом.

Длина зоны горения однородной газовоздушной смеси и зоны диф­фузионного горения зависит от содержания воздуха в первоначальной смеси, поступающей в горелку. С уменьшением содержания воздуха длина зоны горения однородной смеси уменьшается, а длина зоны диф­фузионного горения увеличивается до предельного значения, соответст­вующего чисто диффузионному горению, когда первый фронт пламени исчезает. Напротив, с увеличением содержания воздуха в смеси зона диффузионного горения уменьшается и при подаче стехиометрической смеси исчезает и остается только зона горения однородной газовоздушой смеси.

Газ до вступления в первую зону горения подвергается нагреву за счет излучения из зоны горения и диффузии продуктов сгорания. В слу­чае сжигания газов, содержащих углеводородные соединения, этот на­грев сопровождается двумя основными процессами: процессом окисле­ния, который начинается при сравнительно низких температурах и процессом термического расщепления. Процесс окисления благоприятствует успешному ходу горения. Процесс же расщепления при высоких температурах обусловливает образование тяжелых углеводородов, ос­ложняет процесс горения и вызывает неполноту горения. В процессе окисления образуются альдегиды, которые или окисляются в формаль­дегиды при наличии кислорода, или расщепляются в его отсутствии. При наличии достаточного количества воздуха формальдегиды сгорают в СО2 и H2O. В случае же отсутствия воздуха формальдегид разлагается на CO и Н2. Последние в дальнейшем при наличии воздуха сгорают по характерным для них цепным реакциям, процесс завершается без обра­зования продуктов неполного горения. В случае недостаточного количе­ства кислорода или при неравномерном его распределении в газовозушной смеси имеет место расщепление альдегидов или даже исходного газа с образованием тяжелых углеводородов, обусловливающих образо­вание сажи и появление химической неполноты сгорания. Таким образом, для протекания полного горения решающее значение имеет смесеобразование. В случае раздельной подачи в топочное пространство газа и воздуха, необходимого для горения, т. е. в случае диффузионного горения, имеет место максимальная химическая неполнота горения. При подаче совместно с газом некоторого количества воздуха неполнота горения, которая в этом случае образуется в зоне диф­фузионного горения, будет уменьшена. Хорошо перемешанная газовоздушная смесь, в которой содержится достаточное для полного сгорания количество воздуха, может быть сожжена без образования продуктов неполного горения.


14.6. Пределы устойчивого горения ламинарного факела

В открытом факеле горелок атмосферного типа с зажиганием от естественного зажигающего кольца процесс горения может протекать устойчиво, т. е. со стабилизацией факела в определенном объеме при установившемся режиме подачи горючей смеси и в нешироких пределах скоростей истечения смеси из горелки. При малых скоростях истечения возможен проскок пламени в горелку, а при больших скоростях отрыв пламени от горелки и его погасание.

Условием устойчивости ламинарного горения, осуществляемого обычно в атмосферных горелках, является равенство W=—Un на периферии основания факела в зоне зажигающего кольца. В факеле одно­родной смеси при Wn возможен проскок пламени в горелку. Предел минимальной скорости в горелке, ниже которой происходит проскок пла­мени, называется нижним пределом устойчивости горения по скорости. Поскольку горение однородной газовой смеси происходит за счет нормального распространения пламени, устойчивое пламя можно полу­чить при сжигании смесей, которые находятся в концентрационных пределах воспламенения. Если содержание горючего газа в смеси выше верхнего предела, голубой конус не образуется и имеет место чисто диффузионное горение. Если же содержание газа в смеси меньше нижнего предела, то горение невозможно. При скоростях потока выше верхнего предела устойчивости пламя отрывается и гаснет.

Как проскок, так и отрыв пламени нарушают нормальную работу горелки и могут быть причиной аварии. Кроме того, эти явления ограничивают производительность горелки по минимальному и максимальному пределу. Для обеспечения нормального протекания горения процесс следует вести в области устойчивого горения.

Стабилизирующую способность горелок различных конструкций по пределам устойчивого горения, нарушаемым проскоком или отрывом пламени, выявляют экспериментально. Эту характеристику обычно представляют в виде графика зависимости нижней и верхней предельной скорости истечения смеси от коэффициента избытка воздуха (рис. 14.1).


14.7. Расчет горения газообразного топлива

В изолированных, как и совместных параллельных и последова­тельных реакциях, исходные вещества вступают в химические соедине­ния, и образуют новые продукты в определенных, так называемых стехиометрических соотношениях (закон кратных отношений Дальтона).

Согласно этому закону горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количествен­ном соотношении. Расход кислорода и количество образующихся про­дуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горе­ния, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к 1 кг горючего и выразив газообразные вещест­ва в объемных единицах, делением их массовых количеств на значения плотностей, получим количество кислорода и выход продуктов сгорания на 1 кг каждой составляющей горючей массы топлива в м3 при давле­нии 0,1013 МПа (760 мм рт. ст.) и 0°С.

Для углерода: С+O2=СO2.

12,01 кг С+32 кг O2=44,01 кг СO2;

(14-2)

1 кг С+1,866 м3 O2=1,866 м3 СО2.

Для серы: S+O2=SO2,

32,06 кг S+32 кг О2=64,06 кг SO2;

(14-3)

1 кг S+0,7 м3 O2=0,7 м3 SO2.

Для водорода: 2Н22=2Н2О,

4,032 кг Н2+32 кг O2=36,032 кг Н2O;

(14-4)

1 кг Н2+5,55 м3 O2=11,1 м3 Н2О.

Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содер­жащихся в 1 кг топлива, и вычитая количество кислорода топлива, по­лучим теоретически необходимое количество кислорода для сжигания

1 кг твердого или жидкого топлива м3/кг:

(14-5)

В формуле:

Cр; Sрор+к; Hр; Ор соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и кислорода в топливе, %; — плотность кислорода, кг/м3.

В воздухе содержится кислорода примерно 21% по объему, поэтому теоретически необходимое количество воздуха для горения V0, м3/кг, т. е. количество воздуха, которое необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащийся в нем кислород прореагирует, составляет:

(14-6)

или в кг/кг

(14-7)

В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций выгорание все более за­медляется. В камерах сгорания парогенераторов условия реагирования ухудшаются также из-за недостаточно совершенного перемешивания вступающих в процесс горения больших масс топлива и воздуха. По­этому воздух для горения подают больше его теоретически необходи­мого количества.

Отношение количества воздуха, действительно поступившего в топ­ку Vb, к теоретически необходимому количеству называют коэффи­циентом избытка воздуха:

(14-8)

Для вновь проектируемых парогенераторов величину т выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конст­рукции топки. Для пылеугольных топок по условиям достижения боль­шего значения к. п. д. и интенсификации процесса горения оптимальны­ми являются т=1,2—1,25, при этом нижний предел относится к бурым и каменным углям, а верхний — к тощим углям и антрацитам. При размоле бурых и каменных углей в молотковых мельницах рекомен­дуется выбрать верхний предел, т. е. т=1,25. При жидком шлакоудалении из-за повышения температурного уровня и уменьшения присосов т может быть снижен для однокамерных топок до 1,2; двухкамерных и циклонных топок — до 1,1. При сжигании природных газов и мазута в агрегатах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, т может быть снижен до 1,05.

На действующих парогенераторах балансовыми испытаниями при различных нагрузках определяется оптимальное значение т, при ко­тором суммарная величина потерь тепла от механической и химической неполноты сгорания топлива и потерь тепла с уходящими газами ока­жется минимальной.

Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газо­вого топлива рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих.

Теоретическое количество воздуха V0, м33, определяется как сум­марный его расход на сжигание горючих 1 м3 сухого газового топлива при =1 по формуле:

(14-9)

При отсутствии данных о составе непредельных углеводородов принимается, что они состоят из С2Н4.

Обычно в топочных камерах поддерживается небольшое разреже­ние для предотвращения выбивания газов в помещение котельной. В последующих за топкой газоходах парогенератора устанавливается разрежение, превышающее разрежение в топке на величину сопротив­ления, рассматриваемого и предшествующих газоходов. Через неплотности в металлической обшивке и обмуровке парогенератора, через лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха, в газоходы находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сго­рания, протекающих в них.

Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для вы­бранных значений т и коэффициентов избытка воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с т присосов воздуха в рас­сматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V0. Предварительно по формулам определяется теоретический объем продуктов сгорания, а затем для каждого участка газового тракта в соответствии с величиной присоса определяется общий объем продуктов сгорания и, наконец, по формуле - объем водяных паров.

В осваиваемых в последнее время газоплотных парогенераторах присосы воздуха отсутствуют. Объем газов по газоходам остается оди­наковым и рассчитывается по коэффициенту избытка воздуха в топке.

Приведем формулы для расчета объема продуктов сгорания газообразного топлива при =1.

Теоретический объем азота, м33,

(14-10)

Объем трехатомных газов, м33,

(14-11)

(14-12)

где dг.гл — влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа, г/м3.

Масса продуктов сгорания, кг/м3,

(14-13)

где плотность сухого газа , кг/м3, выражается формулой

(14-14)

Коэффициент избытка воздуха определяется газовым анализом проб продуктов сгорания, отбираемых из газоходов, с после­дующим расчетом по приводным ниже формулам.

Теоретически необходимый объем воздуха мож­но выразить как разность между действительно поданным объемом воздуха на 1 кг топлива и объемом избыточного воздуха и представить его в виде

(14-15)

Эксплуатационный контроль за поддержанием необходи­мого избытка воздуха в топке и за плотностью газоходов более пра­вильно вести по содержанию кислорода в продуктах сгорания, для чего применяются автоматические кислородомеры.


14.8. Конструкции газогорелочных устройств

Газовые горелки могут быть классифицированы по следующим при­знакам:

  • по длине образующегося факела на длиннопламенные и короткопламенные;

  • по светимости пламени на светящийся или слабосветящийся факел;

  • по теплоте сгорания сжигаемого газа на горелки для высококалорийных и низкокалорийных газов;

  • по давлению перед горелкой на низко- и высоконапорные;

  • по количеству подводящих трубопроводов на одно- и двухпроводные и т. д.

Одним из существенных признаков является способ смешения сжи­гаемого газа с воздухом, необходимым для горения. По этому призна­ку горелки можно разделить на следующие три типа.


Горелки без предварительного смешения газа с воздухом. Газ и воздух, в необходимом для горения количестве, подаются раздельно через соответствующие каналы горелки. Горю­чая смесь образуется в факеле в процессе тур­булентного смешения газа и воздуха после выхода их из горелки.

Для примера в качестве горелки такого типа можно привести трубчатую горел­ку для низкокалорийных газов (рис. 14.2). Газ поступает через газовый кол­лектор и присоединенные к нему трубы, а воз­дух через противоположный коллектор в меж­трубное пространство. Смешение происходит в струйных потоках на выходе из труб.

Эти горелки применяют для сжигания низко­калорийных газов в больших количествах и в печной технике, когда нужно иметь растяну­тый светящийся факел с более равномерной теплоотдачей по длине рабочего пространства печи.

Горелки предварительного смешения. Го­релки, работающие по принципу кинетического сжигания, применяют в случаях, когда требуется сжигать газ с высоким тепловым напряже­нием объема и сечения камеры порядка (10—40) • 103 кВт/м3 к (50—80) • 103 кВт/м2 с минимальным химическим недожогом и с корот­ким слабосветящимся пламенем. Предварительное смешение осуще­ствляется в смесителях, из которых подготовленная смесь поступает в горелку. К этому типу относятся туннельные и другие типы горелок однородной газовоздушной смеси, получаемой предварительным смеше­нием газа с воздухом в смесителях различной конструкции.

В промышленности широкое распространение получили инжекционные горелки туннельного типа (рис. 14.3), которые обес­печивают авторегулирование постоянного соотношения расходов газа и воздуха и допускают сжигание запыленных газов. Горелки более тер­мостойки и обладают повышенной пропускной способностью при малых сопротивлениях.


При высоком давлении сжигаемого газа применяют одно провод­ные горелки (рис. 14.3, а) с эжекцией воздуха из атмосферы, а при сжигании газа низкого давления — двухпроводные горелки (рис. 14.3, б) с принудительной подачей воздуха. Широкое распространение получили также однопроводные инжек-ционные горелки, в которых цилиндрическая камера смешения заканчивается не керамическим каналом, а металлическим участком диффузор — конфузор.

Горелки с частичным смешением. Эти горелки снабжены укорочен­ными смесителями, в которых происходит частичное смешение. Смеше­ние продолжается и завершается в факеле в процессе горения.

Горелки, работающие по этому принципу, широко применяются в энергетике для сжигания природные газов.

В
горелках с частичным смешением для низкокалорийных газов, в частности в горелке ВНИИМТ для доменного газа (рис. 14.4), из-за соизмеримых расходов газов и воздуха газы и воздух подаются чередующимися плоскими потоками через каналы в фор-камеру, в каналах которой начинается смешение и горение. Процесс смешения и горения продолжается и завершается в выходных каналах. Сечение туннеля горелки определяется по количеству продуктов сгора­ния и скорости их, принимаемой в пределах 30—40 м/с.

Схожі:

Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconЗавдання для самостійної роботи змістовий модуль 1 обучение грамоте как особая ступень овладения первоначальными умениями чтения и письма тема Введение. Теория и методика обучения русскому языку как наука. Науки о языке – основа его методики
Тема Введение. Теория и методика обучения русскому языку как наука. Науки о языке – основа его методики
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconПрактическая работа № Тема: Создание и редактирование оглавления, предметного указателя, списка иллюстраций
Задание: Создать документ на основе стандартного шаблона, создать шаблон по заданному образцу и документ на его основе. Написать...
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconМеждународная научно-техническая конференция пылеугольное топливо альтернатива природному газу

Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconУважаемые коллеги!
Выражаю глубокое сочувствие о смерти Авенира Ивановича. Я давно знаю его как прекрасного специалиста и прекрасного человека. Я и...
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconПеревод Объемы мусора, предназначенного для сжигания (1000 тонн)
Это в основном связано с увеличением объема слабозагрязненных материалов, вывозимых на свалки. Тем не менее, число полигонов уменьшается....
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconТема Предмет и методы курса, его структура
Особенности формирования и размещения продуктивных сил в границах регионов (областей)
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconКонституционные акты саудовской аравии основной низам (положение) королевства саудовская аравия
Королевство Саудовская Аравия суверенное арабское исламское государство. Его религия ислам, Конституция Книга Всевышнего Аллаха и...
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconТема 19. Образ руководителя направления изучения личностных качеств руко­водителя и его деятельности
Направления изучения личностных качеств руко­водителя и его деятельности. Изучение личностных качеств и деятельности руководителя...
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconГосударственный стандарт союза сср
...
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание icon9. 1 Жизненный цикл программного обеспечения. Модели жизненного цикла
ПО) лежит понятие его жизненного цикла (ЖЦ). Жизненный цикл является моделью создания и использования по, отражающей его различные...
Тема 14. Газообразное топливо и его сжигание iconПьер Бурдье Исторический генезис чистой эстетики[1]. Эссенциалистский[2] анализ и иллюзия абсолютного
Только исторический анализ способен объяснить одновременно и природу, и видимость универсальности чистого опыта произведения искусства,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи