Основы сжигания жидкого топлива

Основы сжигания жидкого топлива
Воздушно-топливная смесь
2
Полное сгорание топлива
3
Сгорание топлива при недостатке воздуха
4
Сгорание топлива при избытке воздуха
5
Избыток воздуха и остаточное содержание кислорода
6
Взаимосвязь между сажей и кислородом (О2)
7
Технический КПД сгорания топлива
8
Температура дымовых газов и КПД
9
Количество воздуха и процент содержания сажи
10
1
Воздушно-топливная смесь
Кислород
О2
Углеводороды
СхНу
Инертные
газы
Сера
S
Азот
N2
Жидкое
топливо
Пример углеводородного
соединения
Пропан
C3H8
H
Под жидким топливом понимается смесь нескольких
различных химических веществ. В основном такое
топливо состоит из жидких углеводородных
соединений и серы.
2
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
Эти соединения являются горючими.
Жидкое топливо способно гореть только
при наличии воздуха, который также является
смесью нескольких химических веществ.
Полное сгорание топлива
а) углерод
C
+
+
кислород
O2
O
+
C
=
=
углекислый газ
CO2
O
сгорание
C
O
O
b) водород
2 H2 +
H
+
O2
H
кислород
=
O
+
H
H
c) сера
S
=
сгорание
кислород
O2
O
S
водяной пар
2 H2O
+ тепло
O
+
+
+ тепло
+ тепло
+
O
Сгорание жидкого топлива при смешивании
с воздухом означает, что горючие составляющие
жидкого топлива реагируют с кислородом воздуха.
H
H
O
H
=
=
O
H
двуокись серы
SO2
сгорание
+ тепло
+ тепло
+ тепло
O
S
O
При полном сгорании в результате реакции
образуются три новых химических соединения.
3
Сгорание топлива при недостатке воздуха
углерод
2С
+
кислород
+
O2
=
углерод
+
(сажа!)
=
С
углекислый газ
+
СО2
O
C
C
O
+
C
=
+
C
O
O
углерод
2С
+
+
кислород
O2
=
угарный газ
2СО
=
O
C
C
+
C
O
C
O
=
O
Даже если при горении топлива воздуха слишком
мало, водород и сера сгорают полностью.
Вследствии этого остается недостаточно кислорода
для сгорания углерода.
Поэтому после сгорания остается избыток углерода
в виде сажи. А также, образуется некоторое
количество угарного газа.
Таким образом при сгорании жидкого топлива в
условиях недостатка воздуха в отходящих газах
образуются вредные вещества (сажа и угарный газ).
Следствием этого является повышение
температуры дымовых газов
и снижение КПД.
Пример (см. рис.):
При слое сажи в 1 мм температура
отходящих газов повышается на 53оС,
а КПД падает на 3,6%.
4
Повышение температуры дымовых
газов (оС)
Образующийся слой сажи
откладывается на поверхностях
нагрева котла и ухудшает тем самым
теплопередачу.
Снижение КПД (%)
Влияние толщины слоя сажи на КПД
Слой сажи [мм]
Сгорание топлива при избытке воздуха
Влияние внешних факторов на сгорание топлива
Температура воздуха
Давление воздуха
Жидкое
топливо
Теоретическое
необходимое количество
воздуха
Давление в
камере
сгорания
Тяга дымовой трубы
Загрязнение вентилятора
Теоретический объем воздуха, необходимый для
качественного полного сгорания определенного
количества жидкого топлива, может быть рассчитан.
Под воздействием внешних условий (температура,
давление воздуха, давление в камере сгорания и пр.)
количество поступающего воздуха может меняться.
В следствие этого при сгорании образуются вредные
вещества.
Превышение необходимого количества воздуха
Избыток воздуха
+15…20%
Жидкое
топливо
Теоретическое необходимое
количество воздуха
Для избежания недостатка воздуха по причине
воздействия условий окружающей среды сгорание
должно происходить с избытком воздуха.
Рекомендуемый избыток воздуха составляет 15-20%
(точное значение определяется при настройке
горелки).
Однако сгорание топлива при избытке воздуха
характеризуется дополнительной потерей тепла.
5
Избыток воздуха и остаточное содержание кислорода
Сгорание при избытке воздуха 50%
Жидкое
топливо
+
Дымовые
газы
CO2
O2
Воздух
+ избыток 50%
Остаточное содержание кислорода: 7,4%
Содержание углекислого газа:
10%
Потери тепла:
высокие
Сгорание при избытке воздуха 15%
Жидкое
топливо
Дымовые
газы
+
Воздух
+ избыток
15%
Для того чтобы сгорание не происходило в условиях
недостатка воздуха, необходим соответствующий
избыток воздуха. Но этот избыток воздуха должен
быть по возможности минимальным, чтобы не
происходили потери тепла на его подогрев.
6
O2
CO2
Остаточное содержание кислорода:
3%
Содержание углекислого газа:
13,1%
Потери тепла:
низкие
Рекомендуется устанавливать избыток воздуха в
диапазоне 15-20% от определенного теоретически.
Доля остаточного содержания кислорода в дымовых
газах при 15% избытка воздуха составляет
около 3%.
Взаимосвязь между сажей и кислородом (О2 )
1. Оптимальные
условия сгорания
2. Хорошие
условия сгорания
3. Плохие
условия сгорания
Измерение
(теоретическое)
Измерение
(теоретическое)
Измерение
(теоретическое)
O2
0%
O2
1,1%
O2
2%
Сажа = 0
Сажа
Сажа < 1
Сажа
Сажа
3
3
3
2
2
2
1
1
1
0
2
4
6
[%]
O2
Настройка
O2
3%
Сажа << 1
Сажа > 1
0
2
4
6
[%]
O2
Настройка
O2
3,8%
0
2
4
6
[%]
O2
Перенастройка
горелки
Сажа < 1
Содержание сажи определяется визуально по
сравнительной шкале (0 - наименьшее содержание сажи)
При идеальных условиях работы горелки и
котла горение может происходить без
образования сажи. При содержании О2=0
содержание сажи и СО резко увеличиваются.
При значительном содержании О2 содержание
сажи также увеличивается. В исключительных
случаях по различным причинам может иметь
место ситуация, когда при изменении избытка
воздуха количество сажи не меняется.
7
Технический КПД сгорания топлива
1. Настройка
количества
поступаемого воздуха
2. Изменение
настройки
(снижение избытка
воздуха)
Измерение
CO2
7,8%
КПД: 90%
3. Дальнейшее
изменение настройки
поступаемого воздуха
(дальнейшее снижение
избытка воздуха)
Измерение
O2
10,3%
10%
CO2
10.4%
Измерение
CO2
13%
O2
8%
КПД: 92.3%
7,7%
КПД: 93.6%
O2
3,2%
6,4%
Высокое содержание углекислого газа
(низкое остаточное содержание кислорода)
Высокий КПД
Минимальные потери энергии
Небольшое остаточное содержание кислорода
в дымовых газах означает низкие потери тепла
и высокий КПД.
8
Необходимо настраивать количество воздуха таким
образом, чтобы КПД было наибольшим.
Рассматриваемый здесь КПД является техническим
КПД сгорания.
9
Температура отходящих дымовых газов
определяется конструкцией и техническими
или О2 остается неизменным).
6,4%
tДГ - tВ = 140 K
tДГ - tВ = 120 K
93,6%
100
100
100
5,5%
150
150
150
94,5%
200
200
200
O2
3,2%
O2
1,8%
90,2%
9,8%
tДГ - tВ = 230 K
100
150
200
250
CO2
14%
данными тепловой установки и не подлежит
изменению при настройке количества газа
и воздуха
89,4% 10,6%
tДГ - tВ = 230 K
250
O2
3,2%
CO2
13%
250
O2
3,2%
CO2
13%
250
CO2
13%
Решающую роль в величине КПД играет
температура дымовых газов.
При высокой температуре дымовых газов КПД
снижается (при условии, что содержание СО2
КПД
Температура
дымовых газов
tДГ - tВ
Избыток
воздуха
tДГ - температура дымовых газов, К
tВ - температура воздуха, К
Температура дымовых газов и КПД
10
90%
1
2
10%
93,6%
1
6,4%
2
O2
3,2%
Оптимальная
настройка
(высокий КПД,
отсутствие сажи)
0
CO2
13%
должно превышать 1.
В соответствии с этими требованиями
необходимо настроить горелку таким
Низкий КПД
0
Необходимо обеспечивать минимальное
образование сажи при горении. Для
жидкотопливных горелок число сажи не
Примечания
КПД
Содержание
сажи
CO2
7,8%
O2
10,3%
0
1
94%
CO2
14%
6%
2
O2
1,8%
94,2%
3
5,8%
4
O2
0,5%
Малый избыток
воздуха
Высокое
содержание сажи
2
CO2
15%
образом, чтобы избыток воздуха был на
минимальном уровне, при котором значение
сажи равны от 0 до 1
Малый избыток
воздуха
Количество воздуха и процент содержания сажи