Связь состава продуктов сгорания с аэро-термохимическими процессами в топке

Управление эффективностью сжигания органического топлива в тепловых агрегатах обычно основано на анализе продуктов сгорания по содержанию монооксида углерода и избыточного кислорода. Однако при определении истинных причин появления как СО, так и неиспользованного в процессе сжигания топлива О2, возникают различные варианты объяснения с привлечением того или иного механизма протекания топочных процессов. Неоднозначность диагностических выводов при анализе эффективности сжигания топлива связана со сложностью взаимосвязанных процессов в топочном объеме, так как рациональная организация процесса горения предполагает воздействие на аэродинамику, термохимию, теплообмен, перемешивание, воспламенение и выгорание топливных компонентов смеси. При этом, безусловно, должна быть обеспечена устойчивость работы топливосжигающих устройств относительно нестационарных процессов колебательного и апериодического характера, что связано с появлением режима пульсирующего горения или с перемещением корневых участков факела относительно плоскости ввода компонентов горения.

Разработка полной математической модели аэро-термохимических процессов (ATX) при горении топлива - достаточно сложная задача, поэтому при расчете топок и тепловых агрегатов обычно идут по пути создания нормативных методик, в среднем удовлетворительно описывающих АТХ-процессы, с использованием модельных представлений и экспериментальных данных. При диагностике ATX-процессов на работающих агрегатах могут оказаться полезными простые модельные соотношения, базирующиеся на теории горения топлива и теории подобия тепловых процессов [1].

В условиях полного адиабатного сгорания газовоздушной смеси температура t_a зависит от теплоты сгорания топлива Q^ и полной теплоемкости смеси, отнесенной к единице топлива С, = У_ас₎,

⁼ ИйОн l^t ^+Zcm ’ О) максимум t_a достигается при полном тепловыделении от исходного содержания топлива; для промежуточного состояния, когда остаточное содержание горючего равно р,

?« =(Ао-а)6нЛ+^м>    .          (2)

откуда можно получить

*а ‘см Ао при обозначении безразмерного температурного потенциала в пламени ® = U.-t\l(t„ -L_M ) и безразмерного потенциала горючего газа М = ц/ц₀

При выводе (1) принималось допущение, что объемное количество движущихся газов для исходной смеси, горящих газов и продуктов сгорания одинаково: У™ =       = Упс, что также при нималось для их теплоемкости ct.

Справедливость допущения о неизменности объемного расхода газов в процессе горения, можно оценить, сравнив количество полученных в результате горения продуктов сгорания с количеством исходной смеси.

Количество продуктов сгорания определяется зависимостью

^-[(^-A^a + ASg^S, где AS = 5j [Qh -S2; Q^ - теплота сгорания топлива в МДж/м3; а - коэффициент расхода воздуха; /,, AZ,, S], S2 - табличные данные для конкретного вида топлива. Количество исходной смеси ^см = [(Аби -AZ,ja + ljs ; взяв отношение Кпс/Ксм и сократив расход топлива В, получим зависимость для оценки изменения объема газов при горении для нормальных условий:

F_nJV_CM =1 + (aS^ -^/[(Л^ -AL)a + l].

Расчет по вышеприведенным соотношениям дает для доменного газа с Qh = 3,56 МДж/м³ К_пс/К_см = -0,074, для коксового газа с Qh = 16,75 МДж/м³ (-0,098), для природного газа с ^ = 35,8 МДж/м³ (±0). Эти результаты можно легко объяснить химическими реакциями при гомогенном горении газовых смесей: при сгорании СО и Н₂ из исходных трех молей компонентов горения в продукты сгорания переходят только два моля СО₂ и

Теплоэнергетика

Н2О, при сжигании СН4 из исходных трех молей получаются три моля газообразных продуктов сгорания, то есть, количество газообразных компонентов не изменяется. Основной горючей составляющей доменного газа является СО, коксового - Н2, природного - СН4.

Таким образом, можно заключить, что отклонение поля концентраций от температурного поля по причине изменения объемных расходов будет составлять для доменного газа - 7,4 %, для коксового - 9,8 % и для природного газа ±0 %; для смесей этих газов отклонения полей концентраций можно определить по правилу аддитивности.

Распределение потенциала горючего газа // = /^М = /(х) по продольной оси камеры сгорания х задается аэродинамическими принципами организации факельного процесса, в соответствии с этим достигается распределение температурного потенциала ®; фактическая температура в потоке газов будет зависеть от интенсивности отвода теплоты к стенам и тепловоспринимающим поверхностям агрегата, что можно выразить коэффициентом понижения потенциала $(х)

0 = $(х)-М. (5)

При задании различной интенсивности тепловыделения ц(х) и интенсивности охлаждения потока газов ге(х) необходимо рассчитать координату сечения, где температура станет ниже температуры воспламенения t < /_вос; если в этом сечении ^(х) > 0, то в камере сгорания создаются условия для химической неполноты горения. В этом случае в продуктах сгорания могут появляться СО и неизрасходованный О₂. Следует отметить, что, строго говоря, понятие температуры /_вос относится к самовоспламенению неподвижной топливовоз-дущной смеси в емкости постоянного объема, но и для движущегося диффузионного факела это понятие дает возможность определить некоторые границы процесса. Аналогично определяются и другие условия химического недожога; эти варианты изображены на рисунке, где для различных условий сжигания изображены потери от химической неполноты сгорания q₃, %, в зависимости от коэффициентов расхода воздуха а_т , подаваемого в топку.

Последовательно на рисунке показаны: кривая 1, соответствующая идеальным условиям сжигания стехиометрической смеси горючего газа с воздухом; кривая 2 - для реальных процессов достаточно высокой степени организации процесса ATX; кривая 3 соответствует неудовлетворительным условиям организации процесса ATX. Отклонение кривой 3 вверх, на место кривой 4, свиде тельствует об ухудшении условий смешения газа с воздухом при ат<1,0; отклонения же вниз, на место кривой 5, свидетельствует об интенсификации процесса в этой области. Аналогично объясняется перемещение кривой 3 на позиции 6 и 7 при ат> 1,0. В соответствии с этим выводами принимаются решения о совершенствовании процессов ATX в области кривых 4 и 6 с помощью изменения интенсивности закручивания потоков, изменения сечений, подачи острого дутья и т.д. [2].

Коэффициент расхода воздуха, ат

Зависимость потерь с химическим недожогом q₃ от коэффициента расхода воздуха а_т

Изложенные выше положения позволяют разграничить данные по составу продуктов сгорания по возможным причинам неудовлетворительной организации процесса горения и формализовать систему воздействий на процесс сжигания топлива по анализу продуктов сгорания, что позволяет повысить эффективность использования топлива в тепловых агрегатах.