Основные характеристики котельного топлива.

Теплотой сгорания (теплотворной способностью) топлива называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива.

При горении топлива различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива:

Высшей теплотой сгорания топлива Q называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива с последующим охлаждением продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и использовании этой теплоты для нагрева.

Низшей теплотой сгорания топлива Q^P_H называется количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива без использования теплоты конденсации водяных паров.

Поскольку газы, покидающие газоход котла, имеют температуру выше температуры конденсации водяных паров, то при расчетах паровых котлов пользуются только низшей теплотой сгорания топлива.

Соотношение между Ql и Ql выражается формулой:

где: 2510 - удельная теплота парообразования [кДж/кг] (для 1 кг водяного пара).

Эксплуатационные свойства мазутов определяются рядом физика- химических характеристик:

Вязкость - [ ВУ ]: является одной из важнейших характеристик жидкого топлива, определяющих его транспортабельность. Чем меньше вязкость мазута, поступающего к форсункам, тем лучше его распыливание.

Условной вязкостью называется отношение времени истечения 200 мл топлива, имеющего заданную температуру, через калиброванное отверстие ко времени истечения 200 мл воды при 20 °С.

Вязкость принята в качестве основного показателя при маркировке мазутов. Так, мазуты различных марок имеют условную вязкость, измеренную при 50 °С:

Ф-5 – 5 °ВУ;

М-40 – 40 °ВУ;

Ф-12 – 12 °ВУ;

М-60 - 60 °ВУ;

Ф-20 - 20 °ВУ;

М-80 - 80°ВУ и т.д.

Хороший распыл мазута возможен при вязкости не более 2 °ВУ. Низкая вязкость топлива (ниже 2,0 - 2,5 °ВУ) приводит к следующим отрицательным последствиям:

- ухудшается процесс горения топлива, происходит неполное горение и, как следствие, снижение экономичности котельной установки;

- может вызвать вибрацию и заклинивание гидравлических частей топливных насосов;

- повышает утечки топлива через зазоры и сальниковые уплотнения;

- снижает спецификационную производительность топливных насосов;

- вызывает усиленное коксообразование на поверхностях нагрева котла;

- вызывает дымление, вибрацию фронтов котла.

Таким образом, рабочая температура топлива перед форсунками должна выбираться в зависимости от известной исходной характеристики вязкости конкретного топлива, из расчета получения вязкости перед форсунками 2 °ВУ. Отсюда следует, что перед подачей мазута на топочные устройства паровых котлов его необходимо предварительно подогревать.

 

Температура подогрева определяется в зависимости от марки мазута по номограмме ВТИ, которая обычно приводится в инструкции по техническому обслуживанию котла. Для флотских мазутов температура подогрева равна: Ф-5 - 60 °С; Ф-12 - 80 °С; Ф-20 - 90 °С.

В то же время высокая температура подогрева топлива также приводит к некоторым отрицательным последствиям: коксообразованию в подогревателях топлива, трубопроводах и форсунках; прерывистости горения из-за образования паровых пробок в топливном трубопроводе.

Поддержание заданной температуры подогрева в пределах ±10 °С обеспечивает нормальное протекание топочного процесса.

Плотность - представляет собой отношение массы топлива в данном объеме при температуре 20 °С к массе воды в том же объеме при температуре 4 °С.

Значение плотности топлива необходимо для учета его количества. Плотность мазута зависит от состава исходного сырья, методов его обработки, и косвенно характеризует химический состав топлива.

Величина d ₄^{2 0} для мазутов колеблется в пределах 0,88 ÷ 1,03.

Плотность мазута также необходимо знать для расчетов распиливающих устройств.

Теплоемкость мазута находится в пределах 1,67 ÷ 2,1 кДж/(кг°С) и может быть определена по эмпирической формуле:

Температура застывания- это такая температура, при которой топливо теряет свою подвижность.

Температурой застывания называют температуру, при которой испытываемое топливо загустевает до такой степени, что при наклоне пробирки под углом 45 ° его уровень остается неизменным в течение 1 минуты.

Температура застывания характеризует прекращение возможности перекачки топлива. Топливо, имеющее высокую температуру застывания, необходимо подогревать при перекачке и расходовании.

Температура застывания зависит от исходного сырья и способа получения топлива.

Температура вспышки- это минимальная температура, при которой смесь паров нагреваемого топлива и воздуха вспыхивает при соприкосновении с открытым пламенем. При этом само жидкое топливо не должно загораться. Температура вспышки характеризует легкость зажигания топлива и степень его огнеопасности. Предельную температуру подогрева топлива рекомендуется устанавливать на 10-20 °С ниже темепературы вспышки, если топливная система открытого типа. В герметичных топливных системах, работающих под давлением, допускается увеличивать температуру подогрева выше этой величины, но следует учитывать пожароопасность при прорыве прокладок и разливе топлива.

Температура воспламенения - это температура, при которой топливо после вспышки горит длительное время (не менее 5 сек). Температура воспламенения обычно превышает температуру вспышки на 15 ÷ 20 °С.

Содержание воды. Вода является вредным компонентом, так как снижает тепловую ценность топлива и ухудшает условия его сгорания. Дополнительно необходимо учитывать затраты тепла на испарение воды, содержащейся в топливе, и перегрев пара. Содержание 1 % воды в мазуте уменьшает теплоту его сгорания на ~ 460,1 кДж/кг. При значительном содержании воды в топливе возможны срывы и затухания факела и резкие перепады давлений в топке, что приводит к разрушению отдельных конструктивных элементов котла. Если в топливо попадает морская вода, она способствует выпадению в осадок твердых смолистых веществ в топливных цистернах.

Содержание механических примесей. Механические примеси обычно состоят из песка, глины и мельчайших частиц железа. Они загрязняют фильтры, вызывают износ гидравлических частей насосов и топливной аппаратуры при неисправности топливных фильтров.

Зольность - содержание в мазуте твердых негорючих веществ, которые в процессе сгорания образуют золу.

При сгорании топлива золообразующие минералы вызывают образование различных химических соединений (натриевых, ванадиевых, кремнистых, сульфатных и др.), которые находясь в потоке газа в расплавленном виде, образуют зольные отложения на поверхностях нагрева.

Основным свойством золы является ее плавкость. В зависимости от температуры плавления различают золу:

- тугоплавкую - t_пл > 1400 °С, представляющую собой рыхлую сыпучую массу, легко удаляемую с поверхностей нагрева;

- среднеплавкую - t_пл - 1200 ÷ 1400 °С;

- легкоплавкую - t_пл < 800 °С, образующую сплошные плотные трудноудаляемые отложения в виде стеклообразной массы.

Минеральные вещества, составляющие золу, являются балластом топлива и вредны по следующим причинам:

• зола, скапливаясь у корней трубок, при бездействии котла впитывает влагу и способствует развитию стояночной коррозии котла;

• отложения золы на трубах поверхностей вызывает ухудшение теплообмена и снижение КПД котла;

• в высоконапорных котлах зола способствует эрозионному разрушению лопаток газовой турбины;

• отложения золы на трубах пароперегревателя могут стать источником возникновения высокотемпературной ванадиевой коррозии.

3. 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 % O₂ и ~ 79 % N₂ (включая ряд других газов и примесей);

• в весовом соотношении 23,2 % O₂к76,8 % N₂.

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:

- молярные соотношения

- весовые соотношения

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 S0₂) и неполным, когда в составе продуктов сгорания присутствуют CO, CH₄, H₂ и углеводороды C_mH_n.

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:

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

 

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 а 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:

 

где: RO₂,O₂,CO,N₂ - процентные содержания соответственно: трехатомных газов (RO2, CO₂ 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 RO₂ и O₂, а содержание N₂ находят как N₂ =100-(RO₂₊O₂).

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:

где: V_r - полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива [нм3/кг];

С_Р - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания [кДж/нм³ -°Ц;

t1ut₂ - высший и низший температурные уровни продуктов сгорания;

Приняв t₂ = 0, и учитывая, что процессы горения и теплообмена являются изобарными, величину Q можно назвать энтальпией продуктов сгорания:

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.

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляются к топливу судовых паровых котлов?

2. Какие марки мазутов применяются в судовых паровых котлах?

3. Назовите химический элементарный состав мазутов.

4. Назовите элементарный состав рабочей и горючей массы топлива.

5. Что называется высшей и низшей теплотой сгорания топлива?

6. Как выражается формулой соотношение между и ?

7. Что называется вязкостью топлива и как она определяется?

8. Какие отрицательные последствия вызывает низкая вязкость топлива?

9. Как определяется температура подогрева топлива с помощью номограммы?

10. Что представляет собой плотность топлива?

11. Что представляет собой температура застывания, вспышки и воспламенения?

12. Как влияет содержание воды на теплоту сгорания топлива?

13. Напишите уравнения реакций горения топлива.

14. Какое горение топлива называется полным и неполным?

15. Как определяется теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сжигания 1кг. топлива?

16. Как определяется действительное количество воздуха?

17. Дайте определение и назовите значения коэффициента избытка воздуха для различных котлов.

18. Назовите внешние признаки качественного горения топлива

19. Как определяется коэффициент избытка воздуха по результатам теплотехнических испытаний котла?

20. Что называется энтальпией продуктов сгорания и как она определяется?

21. Как строится тепловая диаграмма продуктов сгорания и где она используется?