Конспект лекции Горение топлива. Организация факельного процесса

Процесс горения

Горением называется протекающий при сравнительно высоких температурах химический процесс соединения горючих элементов топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением.

В судовых котельных установках окислителем является кислород воздуха. Если в результате горения элементарных горючих веществ топлива - углерода С, водорода Н и серы S образуются продукты полного сгорания СО₂, Н₂О и SO₂, то сгорание называется полным. Основными продуктами неполного сгорания являются окись углерода СО, водород Н₂ и метан СН₄.

Для обеспечения полного сгорания топлива и определения количества образующихся газов важно знать количество кислорода, необходимого для такого процесса. При выполнении расчетов первоначально находят теоретическое количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива массой 1 кг, полагая, что входящие в его состав горючие элементы будут полностью окислены и не образуют химических соединений с другими элементами.

Существуют различные способы подсчета необходимого количества окислителя.

Рассмотрим упрощенный расчет теоретически необходимого количества кислорода для полного сгорания топлива массой 1 кг с использованием молекулярных масс горючих элементов и окислителя.

Из реакции горения углерода С + О₂ = СО₂ следует, что для полного сгорания углерода массой 12 кг требуется 32 кг кислорода. Значит, для сгорания углерода массой 1 кг потребуется 32:12, или 2,67 кг кислорода.

Из реакций горения водорода 2Н₂ + O₂= 2Н₂О следует, что для полного сгорания водорода массой 4 кг требуется 32 кг кислорода. Значит, для сгорания водорода массой 1 кг потребуется 16:2, или 8 кг кислорода.

Горение серы характеризуется реакцией S + О₂ = SO₂ с образованием сернистого газа. Из реакции следует, что на 1 кг необходим 1 кг кислорода.

Если вычесть содержащийся в натуральном топливе кислород, то общее количество кислорода (кг), необходимое для полного сгорания топлива массой 1 кг,

О_{2 теор} = 2,67С^Р + 8Н^Р + S^p - O^p (2.6)

Поскольку в воздухе содержится примерно 23% кислорода и 77% азота, массовое количество воздуха (кг), необходимого для сжигания топлива массой 1 кг,

L_теор = О_{2 теор} /0,23 = (1/0,23) (2,67С^р ++8H^P + S^P-О^р) (2.7)

Плотность воздуха g при нормальных физических условиях (температура 0°С, давление 0,101 МПа, влажность 0%) составляет 1,293 кг/м³, поэтому теоретический объем (м³/кг) воздуха, необходимого для сгорания топлива массой 1 кг, приведенный к нормальным условиям.

(2,8)

В процессе горения выгорают горючие составляющие топлива неравномерно, а часть кислорода воздуха не успевает вступить в реакции, поэтому действительное количество V_дейст воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, больше теоретического.

Отношение действительно подведенного количества воздуха к теоретически необходимому для сжигания топлива называется коэффициентом избытка воздуха

α=V_дейст/V_теор (2.9)

Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, степени совершенства топочного устройства, метода сжигания топлива, нагрузки котла и других факторов. На экономичность работы котла отрицательно влияет как недостаток, так и излишек подаваемого воздуха, поэтому его количество должно быть оптимальным. В главных котлах коэффициент избытка воздуха а обычно равен 1,1 -1,2, а в новых современных агрегатах 1,03-1,05. Для вспомогательных котлов коэффициент избытка воздуха 1,2-1,3.

§ 3.2. Факельный процесс сжигания топлива

На процесс горения топлива в топке котла влияют реагирующие вещества самого топлива и элементы оборудования его топочной камеры. Сжигание жидкого топлива в топке протекает в виде факельного процесса, для осуществления которого служит топочное устройство, в состав которого входят два основных узла: форсунка и воздухонаправляющее устройство (ВНУ). В ряде случаев большое влияние на факельный процесс сжигания топлива оказывает компоновка самой топки (топочной камеры). Экономичность работы котла в значительной степени определяется правильностью организации факельного процесса в топке. Для его нормального протекания необходимо обеспечить непрерывную подачу подготовленного топлива; поддержание оптимальных давления и температуры топлива в зависимости от режима работы котла; правильную установку форсунки; хорошее техническое состояние форсунки; хорошее распыливание топлива форсункой; подачу необходимого количества воздуха; поддержание оптимального соотношения между количеством сжигаемого в топке топлива и количеством подаваемого воздуха (соотношение «топливо - воздух»); поддержание устойчивости фронта пламени путем поддержания высокой температуры; постоянный отвод из котла продуктов сгорания топлива.

Сжигание жидкого топлива в топке котла можно рассматривать как ряд последовательно протекающих процессов: 1)распыливание, 2)подогрев, 3)испарение, 4)термическое разложение, 5)окисление, 6)воспламенение, 7)горение. Первоначальное зажигание топлива производится от постороннего источника. Непосредственно горение начинается, когда температура легковоспламеняющихся фракций топлива достигнет температуры воспламенения. Факельный процесс протекает в такой последовательности:

1. распыленное топливо из форсунки 1 (рис. 3.3) поступает в воздушную среду топки, где происходят интенсивный нагрев, испарение и частичная газификация топлива под влиянием горящего факела, частично фурмы 4 и рециркуляции горящих частиц с последующим термическим разложением топлива на простейшие горючие газы, вступающие в реакции с кислородом воздуха. Нагреванию способствует также диффузор 2, который защищает начальную зону (корень факела) от потока воздуха. Фронт горения устанавливается в том месте факела, где горючая смесь продуктов газификации топлива с воздухом имеет достаточно высокую для воспламенения температуру. Факельный процесс интенсифицируется благодаря хорошему распыливанию топлива (поверхность его соприкосновения с воздухом и газами при этом возрастает во много раз), а также перемешивающимся газовоздушным потокам, возникающим из-за закрученного потока воздуха, поступающего через лопаточный аппарат 3 ВНУ. На рис. 3.3 также обозначены границы зоны обратных токов 5, зоны основного горения 6 и кирпичная кладка 7.

Факельный процесс характеризуется ограниченным временем нахождения частиц топлива в топке, а значит, и минимальным количеством топлива в топочном объеме. Время пребывания частиц топлива в топке обычно не превышает 1 с, отсюда можно заключить, что факельный процесс чувствителен ко всяким видам нарушения режима горения.

§ 3.3. Тяга и тягодутьевые устройства

Одним из условий устойчивого горения топлива в топке котла являются непрерывная подача в нее воздуха и удаление продуктов сгорания.

Для преодоления возникающих сопротивлений в воздушно-газовом тракте должна быть обеспечена движущая сила. Она может быть создана естественной тягой, искусственным дутьем с помощью вентилятора или искусственной тягой, создаваемой дымососом.

Естественная тяга, часто называемая самотягой, зависит от плотностей окружающего воздуха, дымовых газов и высоты газохода. Полной высотой газохода Н_дт (рис. 3.4) считается расстояние от центра нижней форсунки до среза дымовой трубы. Оно составляет обычно 20-25 м.

Подсчитывается самотяга (Па) по формуле.

H_с = 0,981 H_дт(g_в + g_г). (3-1)

где H_дт - высота газохода, м;

g_в и g_г - плотности соответственно окружающего воздуха и дымовых газов (кг/м³) при соответствующих температурах.

У современных котлов самотяга не компенсирует всех сопротивлений воздушно-газового тракта и поэтому в дополнение к ней предусматривается установка вентиляторов, а иногда и дымососов.

Основным элементом тягодутьевого устройства является вентилятор, получивший преимущественное распространение. На большинстве судов приводом к вентиляторам служат электродвигатели переменного тока, которые могут быть односкоростными или с несколькими ступенями скорости. На промежуточных нагрузках котла, оборудованного односкоростным вентилятором, расход воздуха обычно регулируется с помощью заслонок, устанавливаемых на стороне всасывания. При многоскоростном вентиляторе заслонки могут регулировать расход воздуха в диапазонах между ступенями скорости. Дроссельные заслонки связаны, как правило, с гидравлическим или электрическим исполнительным механизмом системы автоматического регулирования процесса горения.

Мощность двигателя вентилятора принимают исходя из условий требуемого напора и подачи воздуха при максимальной нагрузке котла.

Односкоростной центробежный котельный вентилятор типа 90К-25 с подачей воздуха 2,5 м³/с при давлении 2 кПа показан на рис. 3.5. В корпусе 1 на валу 4, приводимом во вращение электродвигателем 5, закреплено рабочее колесо 3. Воздух засасывается через приемный патрубок 2 и нагнетается в направлении, указанном стрелкой,

Вытяжная тяга осуществляется с помощью дымососа, создающего разрежение в дымоходе. Дымососы используются редко. Они могут применяться на пассажирских судах для лучшего отвода газов от дымовой трубы с целью исключения задымления палуб, могут включаться при сажеобдувке, при применении на котле нескольких ротационных форсунок. В последнем случае, если одна из таких форсунок извлекается, то образуется большая амбразура, через которую возможен выброс пламени от работающей форсунки. Необходимо создавать в топке разрежение, что достигается установкой временного щита. Дымососы могут быть выполнены в виде вытяжного вентилятора или пароструйного эжектора. Пароструйный эжекторный дымосос (рис. 3.6) состоит из диффузора 1, рас положенного в дымовой трубе, и сопла 2, установленного по его оси. Подводимый через патрубок 3 пар, выходя с большой скоростью, увлекает за собой дымовые газы, создавая разрежение в газоходе и топке котла. Применяют пароструйные дымососы обычно кратковременно, так как это связано с большим невозвратным расходом пара. Вытяжные вентиляторы используют редко, учитывая, что они постоянно работают в тяжелых условиях в потоке горячих газов.

Рис. 3.5. Котельный вентилятор

В утилизационных котлах сопротивление газохода преодолевается под воздействием избыточного давления отработавших газов дизеля или газотурбинной установки.

Для измерения силы тяги используются манометры, называемые тягомерами. Широко используется U-образный тягомер (рис. 3.7), у которого один конец стеклянной трубки 1 соединен с рабочей средой, другой - с атмосферой. Трубка закреплена на планке 2 со шкалой и заполнена подкрашенной для лучшей видимости водой.

¹ Глубиной регулирования называется возможность обеспечения действующей форсункой работы котла на различных режимах при хорошем качестве распыливания топлива.

Используют иногда нерегистрирующие или регистрирующие мембранные тягомеры, работающие на принципе перемещения мембраны и связанной с ней стрелки под действием измеряемой силы. Регистрирующие тягомеры производят одновременно запись показаний на ленту.

§3.1. Топливная система котла

Топливная система предназначена для подготовки топлива и его бесперебойной подачи к форсункам котла. В систему входят топливные 1) ёмкости, 2) насосы, 3) фильтры, 4) подогреватели, 5) трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными приборами.

Топливные системы современных судов могут иметь арматуру, управляемую дистанционно.

1.Топливо, предназначенное для сжигания в котлах, хранится в топливных танках (бункерах), размещенных в междудонном пространстве или в цистернах. Некоторые топливные танки имеют немного увеличенную высоту; они называются диптанками. Топливо, находящееся в ёмкостях основного запаса, должно иметь вязкость, при которой возможна его перекачка в расходные цистерны, поэтому их оборудуют змеевиками обогрева, а приемные трубопроводы - паровыми спутниками. Паровой спутник представляет собой паропровод, проложенный совместно с топливным трубопроводом.

На судне обычно устанавливают расходные цистерны, вместимость которых соответствует 12-24-часовому расходу топлива на котлы. В этом случае они являются одновременно и отстойными. Все емкости должны быть оборудованы устройствами для замера в них уровня топлива: мерительными трубами, поплавковыми или иными устройствами в зависимости от назначения и расположения их на судне, а также иметь воздушные трубы, выведенные на открытые палубы. Воздушные трубы предназначены для сообщения танка или цистерны с атмосферой. По ним удаляются выделяющиеся из топлива газы. Верхние концы труб, выходящие на открытую палубу, имеют предохранительные колпаки с огнезащитной проволочной сеткой. Для определения количества топлива, находящегося в емкостях, их оборудуют мерительными трубами, которые выходят на открытые палубы и закрываются пробками на резьбе. Выходящие в машинное помещение мерительные трубы оборудуют самозакрывающимися приспособлениями. Емкости, расположенные в пределах машинного помещения, могут иметь также сигнализацию об их заполнении или опорожнении.

2.Топливные насосы используют различных типов, но наибольшее распространение получили винтовые или шестеренные электроприводные насосы.

3. Приемные и напорные фильтры системы применяют обычно сетчатые спаренные, благодаря чему можно поочередно очищать их без вывода системы из действия. Засорившийся фильтр отключают и после очистки фильтрующего элемента вновь вводят в действие или оставляют в резерве. Загрязненность фильтра определяют по перепаду давлений на манометрах, установленных до и после него. Предельный перепад давлений указывается в инструкциях. На напорных сетчатых фильтрах перепад давлений обычно не должен превышать 0,1 МПа. Уменьшение перепада свидетельствует о прорыве фильтрующей сетки.

Рис. 3.1. Подогреватель топлива

4. Подогреватель топлива обычно представляет собой теплообменный аппарат с петлевыми трубами, по которым движется топливо (рис. 3.1). Корпус 9 подогревателя в верхней части фланцем соединен с трубной доской 1 и крышкой 3. В трубной доске закреплены трубы 10, имеющие форму петель. Перегородка 5 в крышке и патрубки - входной 2 и выходной 4 - образуют ряд полостей, благодаря чему обеспечивается последовательный проход топлива по всем петлям. Греющий пар поступает через патрубок 11 и благодаря наличию диафрагм 8 делает в корпусе подогревателя несколько ходов. Отвод конденсата осуществляется через клапан 7. Подогреватель петлевого типа является достаточно надежным теплообменным аппаратом, так как закрепление труб только в одной трубной доске дает им возможность свободно расширяться при нагревании. Подогреватель для контроля уровня оборудован водоуказательным стеклом 6.

5. В топливной системе котельной установки, работающей на мазуте (рис. 3.2), предусматриваются расходные мазутные цистерны 1 и цистерна 2 дизельного топлива. Дизельное топливо, не требующее первоначального подогрева, используется при растопке котла. Топливо из танка 9 через клапанную коробку 10 забирается одним из топливоперекачивающих насосов 11 и подается в расходную цистерну 1. Один из топливно-форсуночных насосов 7 забирает через фильтр 8 топливо из расходной цистерны и нагнетает его через подогреватель 5 и фильтр 4 к форсунке котла. В схеме предусмотрен сброс топлива через предохранительный клапан 6 из нагнетательной магистрали насоса 7 в его приемную магистраль при перекрытии нагнетательной ветви трубопровода, а также сброс через регулирующий клапан 3 излишков топлива в случае уменьшения нагрузки котла.

Требования к топливным системам котлов регламентированы Правилами Регистра, основными из которых являются следующие:

• система должна оборудоваться не менее чем двумя комплектами топливных насосов и фильтров на приемной и нагнетательной магистралях, а также двумя комплектами подогревателей топлива. Каждый комплект должен быть рассчитан на полную паропроизводительность обслуживаемых котлов;
  
  

• насосы, обслуживающие топливную систему, не должны использоваться для других целей. Эти насосы, помимо местного поста управления, должны иметь средства для остановки их из легкодоступных мест вне помещения, в котором они расположены;

• на трубопроводе, подающем топливо к форсункам каждого котла, должен быть установлен быстрозапорный клапан;

• подогревать топливо в танках и цистернах можно только при помощи паровых или водяных змеевиков, при этом давление пара допускается не выше 0,7 МПа. Максимальная температура подогрева в цистернах должна быть не менее чем на 10 °С ниже температуры вспышки паров топлива;

• расходные и отстойные цистерны должны иметь клапаны самозапорного типа для спуска отстоя. Сточные трубы оборудуются смотровыми стеклами или воронками с поддоном;

• топливные трубопроводы должны располагаться в стороне от трубопроводов других систем, в хорошо видимых и доступных местах, не проходить над двигателями, паропроводами, котлами, выпускными коллекторами и дымоходами.

Контрольные вопросы

1. Топливо каких марок может использоваться во вспомогательных котлах и какие к нему предъявляются требования?

2. Какие элементы входят в состав органического топлива и какие из них являются горючими?

3. Что такое условное топливо, как и для чего производят пересчет натурального топлива в условное?

1. Какими показателями характеризуется качество топлива и какое значение они имеют при эксплуатации котельной установки?

2. Что такое коэффициент избытка воздуха?