+7 (495) 999-47-65
litteh-sale@mail.ru
Корзина пуста
Выбрано 0 шт.
на 0 руб.

1.7.1. Взаимосвязь параметров процессов горения топлива.

Заявка на звонок Заполните форму:
captcha
Я даю своё согласие на обработку моих персональных данных, в соответствии с Федеральным законом от 27.07.2006 года №152-ФЗ «О персональных данных», на условиях и для целей, определенных Политикой конфиденциальности.
Методичка
Глава 1. ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА
Глава 2. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ
Глава 3. ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ В ПЕЧАХ
Глава 4. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Глава 5. ОГНЕУПОРНЫЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 6. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА
Глава 7. СПОСОБЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПЕЧИ
Глава 8. ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Глава 9 НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Глава 10. СУШИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Использованная литература

Для анализа количественных взаимосвязей  параметров процесса горения рассмотрим результаты расчётов, выполненных  по методике изложенной в п.1.6. Расчёты целесообразно проводить с помощью компьютерных программ составленных в таблицах Excel.    Листинг программы расчёта процесса горения газообразного топлива, приведён в Приложении №.1, а процесса горения твёрдого и жидкого топлива – в Приложении № 2.   В распечатках расчётов, выполненных по этим программам, скрыты строки, не используемые в представленных вариантах расчётов.

Сравнение процессов горения моноксида углерода (СО) и водорода.

         Калориметрическая температура продуктов горения моноксида углерода СО, т.е. уже частично сгоревшего углерода в превышает tкал.  водорода (таблица 1.1). Этот, парадоксальный на первый взгляд, результат объясняется следующим образом.          Энергия, выделяющаяся при реакции образования СО (C + 0,5 O2 =СО +Q) в значительной части расходуется на разрыв связей атомов в кристалликах «аморфного» углерода и только оставшаяся её часть является теплотой сгорания. Чем больше размеры этих кристалликов, тем больше энергии расходуется на разрыв связей атомов углерода и тем ниже температура продуктов горения.     Кроме того, рассматриваемая реакция сопровождается образованием газообразной фазы. Поэтому часть теплоты расходуется на   работу расширения системы при постоянном давлении, а это также приводит к уменьшению теплоты сгорания до значения 122 217 кДж/кмоль.

         Реакция горения СО,  в отличие от реакции его образования, не связана ни с расщеплением молекулы СО ни с увеличением объёма газообразной фазы.

Поэтому процесс присоединения второго атома кислорода к атому железа сопровождается значительно бόльшим тепловым эффектом по сравнению с неполным горением углерода (285 623 кДж/моль) и по сравнению с теплотой сгорания  водорода (242000 кДж/кмоль).

         Из таблицы 1.1 видно, что в  пересчёте на 1 м3 топлива теплота сгорания  моноксида углерода в 1,666 больше чем водорода. Количество образующихся продуктов горения одинаково для двух газов, а теплоёмкость продуктов горения СО в 1, 11  больше чем О(5,34/4,807). В результате температура горения СО превышает температуру горения водорода в 1,09раза. Следует, однако, помнить, что масса 1 кубометра СО в 14 раз больше чем  водорода.

Сравнение процессов горения углерода (графита) и водорода.

         Д.И. Менделеев установил соотношение количества тепла, выделяющегося при сгорании различных видов топлива, и количества кислорода воздуха, необходимого для полного окисления горючего. Это соотношение «меняется в малой степени для различных видов горючего».  Из этого следует, что калориметрические температуры продуктов горения углерода и водорода не должны существенно отличаться.  Сравнение Ткал.,   приведённые  в таблицах 1.1 и 1.2, соответствует этому выводу.

Особенности процесса горения простых газов

         Теплоты горения  простых газов, приведённые в таблице 1.1, отличаются от значений полученных путём сложения теплоты сгорания углерода и водорода содержащихся в них. Разница величин полученных расчётным и экспериментальным способом равна  теплоте образования простых газов. Для газов циклической группы (СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10 иС5Н12, отличающихся по составу на СН2) теплота образования имеет положительное значение. Поэтому при окислении этих газов затрачивается энергия на разрыв связей углерода и водорода и теплота сгорания таких газов меньше расчётной.        

         Ацетилен – искусственный газ, получают из карбида кальция или путём высокотемпературного крекинга природного газа. Оба эти процесса требуют затрат большого количества энергии. При сгорании  ацетилена  теплота его образования суммируется с тепловым эффектом реакции горения. Поэтому теплота сгорания ацетилена значительно больше суммарной теплоты сгорания углерода и водорода, образующих этот искусственный газ. Она 5,27 раза больше теплоты сгорания водорода, а количество продуктов горения только в 4,3 раза больше, чем у водорода. Вследствие, этого калориметрическая температура продуктов горения ацетилена существенно выше, чем у всех газообразных топлив, используемых в промышленности.

         Сравнение калориметрической и теоретической температур горения простых газов.

         Из рисунка 1.5.  видно, что с увеличением tкал. увеличивается разность tкал. – tтеор., что в полной мере согласуется с графиком на рис. 1.4.

Расчёт процесса горения простых газов                                                                                   Таблица 1.1  

    

Расчёт процесса горения твёрдого и жидкого топлив, используемых

в литейных цехах.                                                                                 Таблица 1.2

          


В таблице 1.3. представлена распечатка расчётов процессов горения газовых смесей, используемых в литейном производстве.

         В двух первых вариантах приведен  расчет горения ваграночных газов. Основными составляющими этих газов являются СО, СО2, и N2. При работе на холодном дутье содержание этих газов составляющих примерно рано 10, 15, и 75 процентов соответственно. При использовании горячего дутья содержание СО в смеси увеличивается до 20%, а СО2 соответственно уменьшаетсядо 10%. Вычисленная калориметрическая температура продуктов горения ваграночного газа позволяет их использовать для подогрева дутья вагранки, о чём подробно  излагается в главе 8. Теоретическая  температура продуктов горения этих газов равна калориметрической, т.к. при низких температурах  диссоциации продуктов горения не происходит.       

         В трёх последующих колонках показано влияние подогрева дутья и подогрева самого газообразного топлива на процесс сгорания  природного газа Саратовского месторождения.

         Кислородно-ацетиленовая резка широко используется в литейных цехах при разделке стального лома перед плавкой. Замена ацетилена на смесь пропана и бутана в сжиженном газе существенно снижает стоимость резки стального лома, но снижает производительность процесса.  Содержание пропана и бутана в смеси поставляемых газов не регламентируется,  поэтому в расчёте принято соотношение 50х50. При этих высокотемпературных процессах особенно ярко проявляется влияние диссоциации продуктов горения на степень их диссоциации и вызванное  этим увеличение разности tкал.tтеор..


Особенности горения твёрдого и жидкого топлива

         Древесное топливо применяют очень ограниченно и преимущественно в быту. Это объясняется недостаточно высокими для металлургических процессов теплотехническими показателями древесины. Кроме того, древесина является ценным сырьём  для ряда отраслей промышленности.

Горючими составляющими  древесины являются углерод и водород (около 50 и 5 процентов соответственно). Летучие составляющие древесины  (влага, вода и частично водород) в процессе горения входят в состав продуктов горения и снижают их температуру.  Поэтому калориметрическая температура продуктов горения дров не превышает 1825 оС. Теплота сгорания рабочего топлива колеблется от 7123 до 9200 кДж/кг.

                  Древесный  уголь широко применялся для получения и обработки металлов ещё в древнем Египте. Уже тогда в разных частях планеты представители человечества установили, что обугливание древесины при ограниченном доступе кислорода позволяет получить топливо гораздо более эффективное, чем древесина.  Разделение эндотермических процессов удаления летучих составляющих древесины и экзотермического процесса сжигания полученного таким образом древесного угля позволило получить существенно более высокую температуру.  Использование древесного угля, особенно в сочетании с принудительным воздушным дутьём позволило человечеству выплавлять из руд медь и железо.

         До середины 20-го века древесный уголь использовался  наряду с коксом для плавки в вагранках. По мере развития доменного производства проблема вырубки лесов для получения древесного угля в расширяющихся масштабах приобретала всё более угрожающее значение для человечества. Требовалось найти новое более эффективное топливо. Этим топливом стал каменный уголь.

         Каменный уголь имеет практически такую же температуру продуктов горения (см. таблицу 1.2), что и древесный, но при плавке в доменных печах и вагранках он вначале растрескивался в зоне относительно низких температур печи, а затем спекался в монолитную массу, что делало его не пригодным для плавки в этих печах.

         Каменноугольный кокс получают путём нагрева до 900…1000 оС без доступа воздуха специальных сортов каменного угля. Кокс обладает высокой механической прочностью и способностью противостоять истиранию, которое он  испытывает  в печах шахтного типа. В таблице 1.4. приведены характеристики коксов, используемых в литейном производстве.

 Таблица 1.4.

                                       Характеристики литейных коксов.

      

В зависимости от размеров кусков коксы делятся на классы: 80 и более мм, 60 и более мм , 40мм.

Существенным недостатком кокса по сравнению с древесным углем является  высокое содержание серы, которая растворяется в металле.

         Термоантрацит получают термообработкой в шахтных печах антрацита при продувании его водяным паром. В результате обработки содержание серы снижается до 1,6%, увеличивается прочность и пористость по сравнению с антрацитом.

         Бурый уголь, торф и сланцы содержат большое количество негорючих веществ, поэтому они характеризуются низкой теплотой сгорания  и температурой горения. Поэтому в современных плавильных печах они не используются. По этим же причинам транспортировка их к отдалённому потребителю экономически не эффективна. Их используют в качестве местного топлива в котельных тепловых и теплоэлектрических станциях.

         Нефть является ценнейшим сырьём для целого ряда промышленных производств, поэтому использование её в качестве топлива совершенно не эффективно.

         Бензин, керосин, дизельное топливо характеризуются максимально высокой теплотой сгорания. Поэтому они представляют особый интерес для владельцев передвижных энергетических установок – различных транспортных средств. В условиях рыночной экономики использование их других областях техники и, в частности, в литейном производстве нецелесообразно.

         Мазут  - это самая последняя и тяжёлая фракция нефтеперегонки.  Мазут характеризуется высокой теплотой и температурой сгорания, но температура его застывания, т.е. температура при которой  он теряет подвижность, не выше 10…25оС.  Для транспортировки мазута к устройствам для его сжигания – форсункам необходим паровой обогрев мазутопроводов. Кроме того, в мазутах большинства месторождений за исключением кавказских содержание серы достигает 4%. Это существенно ограничивает использование мазута в литейном производстве.

     Важнейший вывод из проведённого анализа процессов горения топлива при различных условиях его протекания состоит в том, что стремление повысить температуру продуктов горения приводит к увеличению степени их диссоциации, снижению полноты сгорания элементов топлива и увеличению выбросов в атмосферу токсичного газа СО. Поэтому дожигание отходящих газов является необходимым условием повышения КПД процессов сжигания топлива и снижении вредного воздействия на окружающую среду.

 

         Воздействие процессов горения  на окружающую среду.         Наиболее оригинально и кратко эту проблему выражает цитата, взятая из монографии [13].

«Благодаря современным средствам массовой информации сегод­ня вряд ли найдется человек, не имеющий представления о проблеме парниковых газов, главным источником которых является использо­вание ископаемого топлива. Наиболее эффективно «борются» с эти­ми опасными спутниками прогресса растения, поглощающие углекис­лый газ (диоксид углерода) и производящие кислород. В ряде стран мира, и, прежде всего в Бразилии, в доменном производстве активно используют древесный уголь, который получают из эвкалиптов - бы­строрастущих деревьев. Для этого создают специальные плантации с высоким «оборотом» выращиваемой и периодически вырубаемой древесины. При получении древесного угля, выплавке чугуна и сжига­нии доменного газа диоксид углерода выделяется, а при выращивании эвкалиптов — поглощается, причём поглощается почти в три раза больше. Итак, хотим победить парниковый эффект - возрождаем древесноугольную металлургию!»

        

Вопросы для самопроверки

1. Почему самопроизвольно протекают как экзотермические, так

и эндотермические реакции горения топлива?

2. При каких условиях протекают эндотермические реакции? 

3. Что называют молем вещества?

4. Чем отличается калориметрическая температура продуктов горения от теоретической температуры продуктов горения?

5.  Как вычисляют теплоту сгорания топлива?

6.  Как вычисляют количество кислорода, необходимого для полного сгорания?

7.  Как вычисляют количество воздуха необходимого для этого?

8.  Как вычисляют температуру продуктов горения топлива?

9.  Назовите способы повышения температуры продуктов горения.

10. Чем объясняется повышенная необходимость процесса дожигания продуктов горения при высокотемпературных режимах сжигании топлива?

 

         Очевидно, что для углублённого освоения взаимосвязи параметров процессов горения топлива, студентам необходимо выполнить индивидуальные задания по указанию преподавателя или по личной инициативе с использованием рассмотренных методик и программ расчётов.

Пример индивидуального задания приведен в Приложении №3