Основные моменты процесса горения. Топливо

osnovnie-momenti-protsessa-goreniya-toplivo

Зачастую, для подогрева водонагревательных котлов и получения первичной энергии используется множество видов топлива органического происхождения. Электрические котлы применяются достаточно в редких случаях, когда существуют определенные обстоятельства, мешающие использовать иные виды котлов, даже не смотря дороговизну электрической энергии.

По своему состоянию, топливо имеет три агрегатных вида: твердое, жидкое и газообразное.

Топливо газообразное. Газообразное топливо является прежде всего, природным газом. На территории Российской Федерации находится достаточно большое количество природных месторождений данного ископаемого, в особенности в европейской части страны, а именно на Урале и в Западной Сибири. Это обуславливает тот факт, что не смотря на большой потребительский спрос, в особенности в крупных городах, цена на природный газ остается сравнительно не высокой.

В составе природного газа большую часть занимает такой компонент, как СН4, по мимо него, в небольших объемах присутствуют и такие тяжелые углеводороды, как С2Н6, С3Н8, С4Н10 и многие другие.

Газ, полученный в разных месторождениях может несколько отличатся своим составом и помимо углеводородов содержит еще и иные горючие составляющие, такие как Н2 и СО2. Из рядя не горючих составляющих в состав входит N2 и СО2.

Таблица 1 содержит некоторые характеристики природного газа из разнообразных месторождений в России.

Табл. 1. Плотность и компонентный состав природного газа, находящегося в основных месторождениях.

МЕСТОРОЖДЕНИЕ	СОСТАВ, %								ПЛОТНОСТЬ q , КГ/М³
МЕСТОРОЖДЕНИЕ	СН₄	С₂Н₆	С₃Н₈	С₄Н₁₀	С₅Н_{12 + ВЫСШИЕ}	N₂	СО₂	Н₂	ПЛОТНОСТЬ q , КГ/М³
Уренгойское (верхний мел)	98,4	0,1	-	-	-	1,2	0,3	-	0,728
Ямбургское	98,6	0,1	-	-	-	1,2	0,1	-	0,725
Заполярное	99,3	0,1	-	-	-	0,4	0,2	-	0,722
Медвежье	97,3	1,0	0,1	0,1	0,1	0,5	0,5	-	0,735
Орегбургское	83,77	4,6	1,64	0,81	1,88	4,94	0,87		0,880
Шебелинское	92,07	3,26	0,59	0,18	0,6	1,3	2,0	-	0,796
Завардинское	89,54	3,8	0,94	0,42	0,38	1,87	-	3,05	0,806
Астраханское	90,48	2,07	0,99	0,61	0,61	3,45	0,65	-	0,823

Зачастую, при добывании нефти, не обходится без процессов, связанных с попутными газами, которые в своем составе содержат исключительно небольшой объем СН4, но при этом тяжелые углероды составляют достаточно большое процентное соотношение. Качественные и количественные показатели такого газа зависят, прежде всего от стабилизации нефти на местах ее добычи и ее состава, так, как только стабилизированная нефть подвергается транспортировки и запуску по трубопроводам.

Помимо попутного и природного газа, в промышленной отрасли принято использовать и искусственные газы. В металлургических областях, таких как, к примеру, доменное производство, в ходе процессов, образовывается достаточно большой объем доменного, низкокалорийного газа и коксового, средне калорийного газа, который в своем составе содержит такие элементы, как Н2, СН4, СО2 , а так же множество иных газообразных, горючих веществ.

Табл. 2. Плотность и консистенция промышленного газа.

ТОПЛИВО-ГАЗ	СОСТАВ ГАЗА ПО ОБЪЕМУ, %							ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ Q^r_i,МДЖ/М³	ПЛОТНОСТЬ q , КГ/М³
ТОПЛИВО-ГАЗ	СН₄	N₂	СО₂	О₂	СО	Н₂	НЕПРЕДЕЛЬН. УГЛЕВОДОРОД	ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ Q^r_i,МДЖ/М³	ПЛОТНОСТЬ q , КГ/М³
Доменных печей	0,3	55,0	12,5	0,2	27,0	5,0	-	3,78	1,194
Коксовых печей	25,5	3,0	2,4	0,5	6,5	59,8	2,3	16,96	0,424

В государствах, в которых нет таких богатых месторождений природного газа, как в России, существует особая отрасль, занимающаяся производством специальных генераторных газов, называемыми по-другомусинтез газы. Созданы специальные методы и разработано современное оборудование

Для производства топлива, используемого в бытовой сфере, которое получают путем газифицированы такого твердого топлива как древесина, торф и сланцы, специально были разработаны особые методы и произведено техническое оборудование. При использовании в качестве окисляющего вещества обычного воздуха, удается получить низкокалорийный газ, в то время как при газифицировании на кислородном дутье производится средне калорийный газ. Газ, получаемый данными способами, применяют не только на месте получения, но и транспортируют на большие расстояния. Технологический процесс и исходное топливо определяют консистенцию генераторного газа.

В условиях, созданных на российском рынке, цены на газ достаточно низкие, что делает не конкурентоспособными все виды генераторного по сравнению с другими.

Многие виды генераторного газа, в условиях ситуации на данном российском рынке, по сравнению с природным газом, являются абсолютно не конкурентоспособными. Не смотря на это при условиях отсутствия вблизи объектов газовых магистралей, а также при необходимостях утилизации отходов, содержащих органические вещества, применяют установку газификатором с паровоздушным или с воздушным дутьем с целью получения газов, которые содержат Н2 и СО2, атакже определенное количество углеводородов, что в целом позволяет обеспечить нагревательные котлы необходимым количеством топлива с высоким коэффициентом Кпд и горелками на автомате.

Производство сниженного природного газа, который является практически абсолютно новым видом топлива, представляющим собой на первых и последних стадиях существования газ, а при транспортировке и хранении ведет себя как жидкое топливо, было налажено еще вов торой половине предыдущего века, что обеспечивает достаточно широкий газовый рынок для реализации на больших территориях, где отсутствует возможность прокладывания магистралей.

Сниженный природный газ получают путем охлаждения до определенной температуры в минус 160 градусов. После процесса регазификации сниженный природный газ не теряет никаких свойств, которые характерны для природного газа, имея при этом температуру сгорания в 48,1 МДж/м3. Возникающее при транспортировке и хранении давление составляет 0,6 МПа, в то время как плотность 385кг/м3.

В таких условиях транспортирование и хранение сниженного газа должно осуществляется в специальных криогенных контейнерах. Ценовая политика на сниженный газ достаточно приемлема, так как его стоимость значительно меньше нежели стоимость на аналогичные продукты, такие как углеводородный газ или пропан-бутановая смесь.

Пропан-бутановая смесь, которая достаточно распространенная в бытовой сфере, изготавливается на основе попутного газа, полученного в результате нефтедобывающих процессов. Еще одним источником получения сниженного газа являются заводы, занимающиеся переработкой нефти, которые получают сырую нефть, содержащую уже сниженные нефтяные газы.

Она улавливается непосредственно в самом процессе дистилляции, после чего выход составляет 2-3 процента от общих объемов переработанной нефти. Такие характеристики топлива, как теплота сгорания и многие другие, на прямую зависят от количественных соотношений между содержанием пропана и бутана.

В таблице 3 указаны основные сведения от нескольких видах топлива на основе газов, а также характеристики пропан-бутановой смеси, которые наиболее популярны на российском газовом рынке.

Табл. 3 Основные показатели газообразного топлива, которые используются в Европе.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО

ПРОПАН-БУТАН

ПРИРОДНЫЙ ГАЗ Е

ПРИРОДНЫЙ ГАЗ LL-ВОЗДУХ

(62,8-37,2 %)

ГОРОДСКОЙ ГАЗ 1

ГАЗ ОТ СТОЧНЫХ ВОД

Состав (в % по объему):

Азот (N₂)

Кислород (О₂)

Диоксид углерода ()

Водород (Н)

Окись углерода (СО)

Метан (СН₄)

Этан (С₂Н₆)

Пропан (С₃Н)

n-бутан (n-С₄Н₁₀)

75,7

24,3

1,1

1,0

93,0

3,0

1,3

0,6

14,0

0,8

81,8

2,8

0,4

0,2

9,6

0,5

2,3

54,5

5,5

24,4

2,5

0,7

1,2

34,6

0,2

64,0

Теплота сгорания низшая, МДж/ м³

Теплота сгорания высшая, МДж/ м³

100,65

109,22

37,26

41,26

31,77

35,21

17,59

19,82

22,99

25,51

Плотность q, кг/м³

Относительная плотность, d

2,18

1,686

0,784

0,606

0,829

0,641

0,513

0,397

1,158

0,896

Объемы воздуха и продуктов сгорания при а=1,0 м³/кг:

Теоретически необходимое количество воздуха V⁰_B

Объем сухих дымовых газов V⁰_cr

Объем влажных дымовых газов V⁰_r

26,25

24,05

28,16

9,88

8,88

10,80

8,43

7,70

9,35

4,32

3,90

4,97

6,11

5,82

7,03

Жидкое топливо является продуктом преобразования сырой нефти. Для работы водонагревательных http://www.ayaks-td.ru/catalog/product301/ с не большой нагрузкой обычно используется дизельное топливо, легкие сорта мазута или солярка. В котлах, которые используются на станциях по обеспечению теплоснабжения, довольно крупных размеров, для обеспечения функциональности используются тяжелые сорта мазута. В то время, как на различных нефтепромыслах используют отбензиненную, сырую нефть.

Качественные показатели всего жидкого топлива характеризуются составом сырой нефти, способами и технологиями ее переработки на специальных заводах.

Основной характеристикой жидкого топлива, которая определяет условия сжигания и транспортирования топлива, является показатель вязкости вещества.

Такие показатели вязкости разнообразных видов жидкого топлива указаны на рисунке 1, в виде диаграммы.

На такие процессы, как сжигание топлива могут повлиять и другие характеристики, такие как содержание влаги, серы и зольность топлива. Теплота, при которой осуществляется сгорание некоторых видов жидкого топлива, составляет 39,8 – 41, 9 МДж/кг.

Дизельное топливо, температура, при которой осуществляется сгорание которого составляет 10180ккал/кг, является наиболее подходящим для обеспечения длительной и качественной работы топливной техники и в целом котельного оборудования. Дизельное топливо отличается достаточно хорошим составом, в котором содержание серы не превышает 0,5 процентов, а механических примесей как таковых практически нет. Благодаря такому составу, проблем связанных с коррозией поверхностей практически не возникает. Отличительными преимуществами дизельного топлива являются необходимые для застывания низкие температуры и отличные свойства расплывания при топке в котлах.

Во многих странах Европы, имеющиеся виды такого топлива подразделяют на два основных вида: остаточные и дистиллянтные.

Остаточное топливо, или по-другому печное, производят путем термического и каталитического крекинга нефтепродуктов. Главным образом, данный вид топлива применяется для отапливания помещений, промышленности и железнодорожной отрасли. Такое топливо в Великобритании принято называть бытовым, в США называют форсуночным, а во Франции легким. Деление остаточного топлива на виды и под виды осуществляется за счет параметров его вязкости, которая в свою очередь определяет не только его назначение, но и подходящий тип форсунка.

Для использования в сравнительно не больших котлах для отопления, пригодными могут быть и такие легкие сорта мазута, как Ф5 и Ф12. Преимуществами этих марок выступает не высокая вязкость. Мазут марки Ф5 при определенной температуре, равной 50 градусам, не превышает пяти градусов условной вязкости. Помимо этого, данный вид мазуты обладает низкой температурой застывания, высокой температурой горения и зольностью.

Мазуты для топки, в отличие от отфлотских, считаются смесями прямой перегонки. Кроме отличных показателей вязкости и приемлемой температуры для застывания в мазутах для топки, данное топливо обладает высоким содержанием механических примесей воды и серы. Конечно, такие показатели могут значительно затруднят сжигание и хранение мазут для топки, в особенности в котлах, с невысокой мощностью.

В таблице 4 указаны самые значимые характеристики и показатели того жидкого топлива, которое рассчитано на оборудование из Европы.

В тех местах, где отсутствует природный газ и нет возможности использовать жидкое топливо в силу ограниченных финансовых возможностей, активно используются котлы, работающие на твердом топливе.

К твердому топливу относят разнообразные виды угля, отходы, как бытовые, так и промышленные, сланцы и торф. Осуществляя топочный процесс, к данном виду топлива можно отнести и древесину, отходы деревопереработки и лесозаготовки, в целом что можно объединить в одну группу биотопливо.

Все качественные характеристики топлива твердого, которое предоставляется для бытового сектора, контролируется государственными стандартами. Зачастую, для осуществления таких целей не рекомендуется использовать не сортированный уголь. К примеру, уголь Кузнецкого бассейна, следуя государственным стандартам, в случае применения в бытовой сфере, должен быть использован не применяющийся в коксовании уголь, следующих марок Г - газовый, Д – длиннопламенный, Т – тощий, Ж – жирный, К – коксовый, СС –слабоспекающийся. Размер углей должен составлять 50-100, 25 – 50 и 13 – 25 мм.

Для многих угольных бассейнов существует ограничение зональности, то есть допустимый предел данного показателя, которым необходимо снабжать котлы для автономного отопления. Даже для одного и того же бассейна угля, все характеристики и теплота сгорания могут меняется в достаточно широком диапазоне. Проблемы, связанные с отоплением, в последнее время стараются решать за счет отходов лесопереработки. Активно используются сырая и лыжная щепа, опилки, древесина и многие другие виды древесного топлива.

В зависимости от вида используемого топлива необходима специально организованный топочный процесс. Зачастую, уголь используется путем сжигания кусков определенного размера, которые подаются на механическую, неподвижную решетку. Через отверстия, находящиеся в решетке в нужный слой поступает воздух, который обеспечивает процесс горения. К такому топливу, которое подается на решетку, выставляют определенные требования. Уголь или другое твердое топливо не должно быть в виде больших кусков или наоборот слишком маленьких, так как к примеру, мелкие будут проваливаться вниз решетки и уносится вместе с остаточными продуктами горения. Именно поэтому для водонагревательных котлов, в особенности не больших размеров, которые используются в системах автономного теплоснабжения, поставляется сортированный уголь, или другие специальные виды обработанного топлива.

Табл. 4 Особенности разных видов топлива жидкого.

ХАРАКТЕРИСТИКА	ВИДЫ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
ХАРАКТЕРИСТИКА	БЕНЗИН	КЕРОСИН	EL	S (СЕРЫ-ДО 2,5 %)	SA (СЕРЫ-ДО 1 %)	МАЗУТ
Теплота сгорания высшая, МДж/кг	47,33	46,27	45,76	42,76	43,38	39,46
Теплота сгорания низшая, МДж/кг	44,20	43,20	42,82	40,38	40,94	37,90
Плотность при 15 ^оС, г/мл	0,73	0,81	0,84	0,99	0,96	1,04
Температура воспламенения, ^оС	>21	>40	70	120	120	90
Вязкость, мм²/с: При 20 ^оС При 50 ^оС При 100 ^оС	0,7 - -	1,8 - -	5,0 2,6 -	- 300 30	- 200 25	5,0 2,0 -
Состав (в % по массе): Углерод (С) Водород (Н) Сера (S)	85,6 14,35 0,05		86,06 13,84 0,10	86,63 10,87 2,50	87,61 11,19 1,00	93,0 6,8 0,2
Объемы воздуха и продуктов сгорания при а=1,0 м³/кг: Теоритическое количество воздуха Сухие дымовые газы Влажные дымовые газы	11,42 10,86 12,12	11,30 10,53 11,97	11,22 10,46 11,86	10,65 10,04 11,17	10,76 10,16 11,33	9,88 9,52 10,27

Известно, что топливо твердое, помимо органической массы содержит так же не горючие минеральные компоненты. После завершения процесса сгорания топлива остаются остаточные компоненты, такие как шлак и зола. В конструкцию водонагревательных котлов, которые рассчитаны на сжигание твердого топлива, должна быть заложена специальная система, приспособление для удаления и сбора очаговых остатков.

Помимо этого, крупногабаритные водонагревательные котлы, которые устанавливаются в промышленных котельных или в станциях теплоснабжения, устанавливаются золоулавливающие аппараты для очищения дымовых газов содержащихся в них эоловых частей.

Обычно, в качестве таких частей используются специальные батарейные циклоны, всевозможные эмульгаторы и скрубберы, в более сложных ситуациях используют тканевые или электрические фильтры.

Продукты сгорания содержат в себе определенное количество паров Н2О, источниками которых является влага, находящаяся в топливе, например, в торфе, где ее процент превышает половину, а также влага которая способна поступать в оборудование вместе с воздухом и водород, который обязательно содержится в любом виде топлива. После полного прогорания водорода, образуется Н2О. В том случае, когда остаточные продукты горения покидают котел в форме газа, при с определенной температуре, которая превышает температуру точки росы, коэффициент полезного действия котла становится значительно меньше 100 процента. При обеспечении конденсации Н2О в газах, в случаях, когда происходит понижение температуры в котлах и понижения температуры газа, обычно используется скрытая теплота парообразования. Еще совсем не давно создали водонагревательных котлов добивались от своего оборудования отсутствия конденсирования водяных паров и покидания котла в газообразном состоянии. Это было необходимо так как конденсат паров достаточно вреден для человека, так как в нем происходят процессы растворения диоксида углерода, в следствии чего происходит образование агрессивной среды, которая может вызвать интенсивную коррозию металла, из которой собственно изготавливается поверхности нагревов. Опасность коррозии возрастает тогда, когда происходит применение топлив, содержащих в своем составе большое количество серы либо оксида серы.

В 1990 –ых годах произошло значительное изменение, так как создатели котлов для отопления использовали все современные достижения металлургической отрасли, которая уже успела обеспечить рынок коррозийно-стойкими и нержавеющими металлами. Из данных сплавов были произведены котлы, конденсирующие водяные пары, которые позволили активно использовать срытую теплоту образования паров. Именно благодаря этому, использование теплоты в модифицированном оборудовании значительно возросло, и в наилучших моделях котлов уровень коэффициента полезного действия достиг своего максимума, и увеличился при сгорании газа на 10,72 процента, а при сгорании солярки на 5,95 процентов.

Источник: www.ayaks-td.ru

16/10/2014 16:44