Процесс горения и устройства для сжигания топлива

Приём, хранение и расходование топлива на судне

Приём топлива на судно производится с береговой установки или с помощью бункеровщика. Качество топлива подтверждается соответствующим документом. Количество топлива определяется замерами. Для этого приёмные цистерны (бункеры) оборудованы мерными трубами. При бункеровке исключается перелив и потеря топлива за борт в целях предотвращения загрязнения моря. Уровень топлива в танках должен соответствовать требованиям, определяемым остойчивостью судна, при этом исключается заполнение вентиляционных и мерных труб.

Хранение топлива осуществляется в специальных танках (бункерах), которые размещаются в междудонном пространстве и по бортам; топливные бункеры могут быть предусмотрены в носу, корме и в средней части судна. Некоторые танки для удобства эксплуатации имеют увеличенный размер по высоте, и называются «глубокие танки» или «диптанки». Удобно использовать для хранения топлива междудонные отсеки, которые мало пригодны для других целей. Но хранить весь запас топлива в междудонных танках не допускается из-за опасности потери топлива и загрязнения моря в случае аварийной посадки судна на мель.

Расходование топлива производится из отстойно-расходных цистерн. На судне обычно предусматриваются две отстойно-расходные цистерны, ёмкость которых зависит от назначения судна и равна примерно расходу топлива за 12 – 24 ч. В этих цистернах за счет подогрева мазута, снижающего его плотность, производится отстой и удаление воды и других примесей. Подогрев производится паром, давление которого в змеевиках не должно превышать 7 кг/см², а максимальная температура в цистернах должна быть не менее чем на 10°С ниже температуры вспышки топлива.

Глава 5

Горение – протекающий при сравнительно высоких температурах химический процесс соединения горючих элементов топлива с кислородом воздуха, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты.

Для быстрого и эффективного сгорания топлива необходимо совершенство процесса перемешивания топлива с воздухом, непрерывно подаваемых в топку, причем следует добиваться наиболее полного сгорания топлива.

Полное горение – в результате горения получены негорючие продукты сгорания (СО₂, Н₂О, SO₂), т.е. продукты, не способные к дальнейшей реакции с кислородом воздуха при обычных температурах газов на выходе из топки (800 – 1200 °С).

Неполное горение – в составе продуктов сгорания содержатся продукты неполного сгорания (СО, Н₂, СН₄ и различные углеводороды). Неполное горение происходит при недостаточном количестве кислорода или низкой температуре в месте реакции. Обычно показателем неполного сгорания является наличие окиси углерода СО, т.к. содержание углеводородов и водорода незначительно и ими можно пренебречь.

Для обеспечения полного сгорания топлива и определения количества образующихся газов важно знать количество воздуха, необходимого для такого процесса. При выполнении расчётов 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.

Рассмотрим упрощённый расчёт количества воздуха теоретически необходимого 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. При этом получается 44 кг двуокиси углерода, т.е. для полного сгорания 1 кг углерода нужно 32: 12 = 2,67 кг кислорода.

Из реакции горения водорода 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О находим, что 4 кг водорода, соединяясь с 32 кг кислорода, образуют 36 кг воды, т.е. для полного сгорания 1 кг водорода необходимо 32: 4 = 8 кг кислорода.

Горение серы характеризуется реакцией S + O₂ = SO₂ с образованием сернистого газа. Из реакции следует, что для полного сгорания 1 кг серы требуется 1 кг кислорода.

Приведённая выше схема реакций горения является записью только начала и конца реакций и поэтому условна, тем не менее, она справедлива для определения теоретически необходимого количества воздуха.

Учитывая, что в элементарном составе топлива содержится некоторое количество кислорода О_р, общая минимальная масса кислорода, необходимого для сгорания горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива,

m_o = 2,67Cр + 8Hр + Sр – Oр [кг].

Учитывая, что 1 кг воздуха содержит примерно 23% кислорода и 76% азота, масса воздуха, теоретически необходимая для сжигания 1 кг топлива,

L_o = [кг].

Объём воздуха, теоретически необходимый для сжигания 1 кг топлива,

Vо = [м³],

ρ = 1,293 кг/м³ – плотность воздуха при нормальных условиях

(температура 0°C, давление 0,101 МПа, влажность 0%).

Выразив Ср, Нр, Ор, Sр в процентах, получим:

Vо = 0,0889Ср + 0,266Нр + 0,033 (Sр – Ор).

В действительности, учитывая несовершенство процесса горения в топке, во избежание неполного сгорания из-за недостатка кислорода воздуха для горения топлива подают больше, чем теоретически необходимо.

Коэффициент избытка воздуха – отношение количества воздуха Vд, действительно поданного в топку, к теоретически необходимому для полного сгорания Vo

α =

Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз больше расходуется воздуха для сгорания топлива по сравнению с теоретически необходимым количеством:

Vд = α · Vо.

Это важнейшая характеристика топочного процесса. Его величина зависит от рода топлива, условий его сжигания и конструкции топочного устройства.

Для ГК α ≈ 1,03 – 1,2

Для ВК α ≈ 1,2 – 1,3

Как недостаточное, так и чрезмерное количество воздуха, поданного в топку, снижает экономичность работы парового котла, поэтому необходимо, чтобы топливо сжигалось при оптимальном значении коэффициента избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха при теплотехнических испытаниях определяют по результатам газового анализа. Сравнивая действительный коэффициент избытка воздуха с рекомендуемым, можно изменить соотношение между топливом и воздухом, поступающим в топку, а также улучшить условия смесеобразования воздуха с топливом посредством регулировки топочных устройств.

Анализ газов производят периодически при помощи химических газоанализаторов либо непрерывно – автоматическими газоанализаторами различных типов. Пробу газа отбирают из уходящих газов, за последней поверхностью нагрева котельного агрегата.

На практике величину α и полноту сгорания топлива косвенно контролируют по цвету пламени в топке и дыма, выходящего из трубы. При хорошем горении пламя должно быть светло-жёлтым или оранжевым без покраснения или потемнения в отдельных участках топки, а дым – светло-серым или коричневым. Тёмно-красное пламя и тёмный дым свидетельствуют о недостатке воздуха, а светлый огонь с искрами и беловатый дым – о чрезмерном избытке. Признаком неудовлетворительного распыливания топлива является появление в пламени тёмно-красных полос.

Процесс сжигания жидкого топлива:

1. Распыливание.

2. Подогрев и испарение.

3. Термическое разложение.

4. Смешение полученных продуктов с воздухом.

5. Воспламенение и горение.

Задача распыливания – увеличение площади поверхности соприкосновения жидкого топлива с воздухом и газами. Это обеспечивает хорошие условия для достижения высокой скорости горения в ограниченном объёме факела. Вследствие высокой температуры горючего факела капельки топлива очень быстро испаряются и подвергаются термическому разложению. Горение начинается в тот момент, когда температура самой легковоспламеняющейся фракции достигнет температуры воспламенения.

Факел (рис. 5.1) делится на несколько характерных зон, которые частично перекрываются.

Рис. 5.1 Схема мазутного факела:

1. Зона испарения (свыше 200°С).

2. Зона разложения (свыше 600°С).

3. Зона горения (до 1800°С).

4. Зона продуктов сгорания (образование топочных газов).

Интенсивное испарение мазута начинается только при температуре 200 – 300°С. Испарение и разложение тяжёлых углеводородов происходит при температуре свыше 600°C, поэтому они замедляют процесс горения. Время пребывания частиц топлива в топке обычно не превышает 1 – 2 с.

Скорость и полнота сгорания мазута зависят в основном от скорости и качества смесеобразования, степени предварительной аэрации, степени турбулентности факела, температуры топки и условий развития факела.

Основные условия непрерывности горения топлива:

• бесперебойная подача в топку подогретого топлива и воздуха;

• непрерывный отвод продуктов сгорания;

• поддержание необходимой для горения температуры.

• соблюдение равновесия между выделением тепла в топке и его расходом из котла с паром.

Наиболее распространён факельный способ сжигания, используемый для жидкого, твёрдого и газообразного топлив. Факельный способ позволяет достичь в сравнительно небольших топочных пространствах высокую объёмную плотность теплового потока (до 2·10³ кВт/м³).

К характерным особенностям факельного процесса относят: ограниченность во времени нахождения частиц топлива в топке; минимальный запас топлива в топочном объёме, что делает процесс горения весьма чувствительным к нарушениям режима горения; незначительную относительную скорость обтекания распыленных частиц топлива газовоздушным потоком, так как фактически факельный процесс характеризуется непрерывным движением частиц топлива вместе с газовоздушным потоком, транспортирующим их через топку во взвешенном состоянии.

Совершенство сжигания характеризуется отсутствием потерь от неполноты сгорания топлива, а также минимальным коэффициентом избытка воздуха. Чем больше этот коэффициент, тем больше потери теплоты с уходящими из котла продуктами сгорания.

Дата добавления: 2015-06-27