§ 10. Топочные процессы

Эффективность проведения топочных процессов, т. е. полнота сжигания топлива, тесно связана с его характеристиками.

Состав и качество топлива зависят от места и способа добычи его, а также от химического состава горючей массы. Это учитывают при конструировании топочных устройств и их тепловом расчете. Как правило, принимают усредненные данные тех видов топлива, которые для данного населенного пункта являются предпочтительными. Такие усредненные данные называют расчетными параметрами участвующего в топочном процессе топлива.

В бытовых печах топливо используется как источник тепловой энергии, расходуемой для отопления зданий, приготовления пищи и других хозяйственных нужд.

Топливо состоит из горючих и негорючих элементов. Горючими являются углерод С, водород Н и летучая сера Sл, которые при сгорании выделяют тепловую энергию. Негорючие компоненты топлива - кислород О и азот N - представляют собой внутренний балласт топлива, а зола А и влага W - внешний. Топливо в том состоянии, в котором его получает потребитель, называют рабочим.

Важнейшие теплотехнические параметры твердого топлива - выход летучих горючих веществ и содержание кокса.

Летучими горючими веществам и называют газообразную смесь, состоящую из водорода, кислорода, летучей серы, окисленного углерода и различных его соединений с водородом. Состав и содержание летучих веществ существенно влияет на топочные процессы. После удаления летучих веществ из угля образуется кокс, состоящий из углерода и золы.

Интенсивность топочного процесса во многом зависит от теплоты сгорания топлива.

Теплотой сгорания называют количество теплоты, выделившееся при полном сгорании 1 кг твердого, жидкого или 1 нм³ газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания рабочего топлива.

Высшая теплота сгорания Q^р_в- это количество теплоты, полученное при сгорании единицы массы рабочего топлива при условии, что влага, содержащаяся в топливе, конденсируется. Выявить Q^р_в можно лишь в лабораторных условиях, где моделируют топочный процесс в герметичной калориметрической бомбе.

Низшая теплота сгорания Q^р_н - это количество теплоты, полученное при сгорании единицы массы рабочего топлива при условии, что влага, содержащаяся в топливе и продуктах горения, не конденсируется.

Между высшей Q^р_н низшей теплотой сгорания Q^р_н (кДж/кг) существует следующая зависимость:

т. е. низшая теплота сгорания равна высшей за вычетом теплоты парообразования. В приведенной формуле принято, что на испарение 1 кг влаги расходуется 2500 кДж, а коэффициент 9 показывает, что при одной массовой части водорода за счет присоединения кислорода получается девять частей воды.

Низшую теплоту сгорания твердого и жидкого топлива можно вычислить по эмпирической формуле Д. И. Менделеева:

Q^р_н = 339С^р + 1030Н^р + 10 (О^р - S^р_л) -25(9Н^Р +W^p),

где С^р, Н^р, О^р, S^p и W^P - компоненты рабочей массы топлива, %.

При эксплуатации печей возникает необходимость вычислить расход топлива В не только в физических единицах (кг, т), но и привести его к условному топливу. Условным называют топливо В_у с теплотой сгорания, равной приблизительно 3⋅104 кДж/кг. Для пересчета данного топлива в эквивалентное и обратно пользуются так называемым калорийным эквивалентом Э

По найденному Э вычисляют В_у: В_У=ЭВ, где В - масса топлива, кг.

Топочный процесс представляет собой физико-химическую реакцию соединения горючих элементов топлива с кислородом воздуха, в результате которой выделяется теплота и повышается температура топочного объема.

Топочный процесс горения поддерживается, когда обеспечивается три основных фактора: подвод воздуха к топливу; высокая температура топочного объема и непрерывный отвод продуктов сгорания.

Топочные процессы протекают при полном и неполном сгорании топлива. Полным называют сгорание, при котором горючие компоненты, вступив в реакцию с кислородом, сгорают полностью. При неполном сгорании загруженное в топливник топливо используется лишь частично в результате недостаточного окисления горючих элементов (химический недожог). Кроме того, часть горючей массы, не вступая в реакцию горения, проваливается через колосники или уносится с дымом (механический недожог).

Для полного сгорания необходимо обеспечить поступление в топливник воздуха в количестве, соответствующем виду сжигаемого топлива и условиям, в которых протекает топочный процесс.

Теоретический расход воздуха L_B (м³/кг) вычисляют по формуле

или по приближенной формуле

Фактический расход воздуха L₀ должен несколько превышать теоретический (см. § 8).

Поскольку не вся масса топлива, загруженного в топливник печи, участвует в реакции горения и не все количество теплоты, выделяющееся при горении, аккумулируется непосредственно в топливнике, топочный процесс протекает с потерей тепловой энергии. Учитывая, что теплота уходящих газов полезно используется в конвективной части печи, энергетическими потерями топливника в основном считают провал и часть несгоревшего топлива, удаляемого со шлаком.

Отношение количества теплоты, полученной в процессе сжигания топлива (полезно используемая теплота), к количеству теплоты, заключенной в топливе, которое участвует в топочном процессе (затраченная теплота), называют КПД топливника

где Q_п - полезно используемая теплота, кДж; В- расход топлива, кг; Q^P_H- низшая теплота сгорания топлива, кДж.

КПД топливников современных печей, работающих на твердом топливе, достигает 95 %, а топливников печей на газообразном топливе 98...99%.

https://profecoskill.ru/