AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
-
Upload
stevan-nestorov -
Category
Documents
-
view
64 -
download
0
Transcript of AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 1/27
МАТЕРИЈАЛНИ БИЛАНС ПРОЦЕСА САГОРЕВАЊА
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 2/27
• Сагоревање је хемијски процес сједињавања горива са
кисеоником уз интензивно ослобађање топлоте. Овај
процес може да отпочне само у случају ако су молекули
кисеоника у тесном контакту са молекулима горива и под условом да се овој смеши доведе одређена
количина енергије која ће послужити за кидање
атомских веза и која се назива енергијом активизације.
•
При завршеном процесу сједињавања горива и кисе-оника добијају се продукти сагоревања који се могу
одредити помоћу једноставних хемијских једначина.
• Процес сагоревања може да се проучава кроз две
основне гране: статику сагоревања, у којој се третирају
само крајњи продукти настали при процесу сагоревања
и динамику сагоревања, која се бави физичко – хемиј-
ским процесима који се одвијају током сагоревања.
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 3/27
СТЕХИОМЕТРИЈСКЕ ЈЕДНАЧИНЕ ПОТПУНОГ САГОРЕВАЊА
САГОРЉИВИХ КОМПОНЕНТИ
• При изради материјалног биланса процеса сагоревања
горива у ложишту парног котла претпоставља се да у
коначним продуктима сагоревања нема сагорљивих гасова,
то јест, да је сагоревање потпуно.
• Основ за утврђивање материјалног биланса процеса
сагоревања горива представљају Авогадров и Далтонов
закон .
– Према Авогадровом закону , у простору одређене
запремине, при непромењеном притиску и температури, налази се увек исти број молекула идеалног гаса.
– Према Далтоновом закону , у изолованим, као и у
збирним паралелним и узастопним реакцијама, почетне
материје се једине и стварају нове продукте у одређеним,
такозваним стехиометријским односима.
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 4/27
• Сагорљиве компоненте горива ступају у хемијске реакције са кисе-
оником у одређеним односима, па се потрошња кисеоника и
количина створених продуката сагоревања одређују из
стехиометријских једначина сагоревања написаних за 1 kmol сваке
компоненте
– Угљеник (потпуно сагоревање)
+
– Водоник
+
C + O2 → CO2
1 kmol C + 1 kmol O2 → 1 kmol CO2
12 kg C + 32 kg O2 → 44 kg CO2
12 kg C + 22,4 m
3
O2 →
22,4 m
3
CO2 1 kg C + 1,866 m3 O2 → 1,866 m3 CO2
2H2 + O2 → 2H2O
2 kmol H2 + 1 kmol O2 → 2 kmol H2O
44,8 m3
H2 + 22,4 m3
O2 → 44,8 m3
H2O1 m3 H2 + 0,5 m3 O2 → 1 m3 H2O
4 kg H2 + 32 kg O2 → 36 kg H2O
1 kg H2 + 8 kg O2 → 9 kg H2O
4 kg H2 + 22,4 m3O2 → 44,8 m3 H2O
1 kg H2 + 5,6 m3
O2 →
11,2 m3
H2O
2 CO
Q
O H 2
Q
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 5/27
– Сумпор
+
У приказаним односима узете су заокружене вредности
молекулских маса, а гасови су посматрани као идеални, што за
собом повлачи грешку која се код практичних прорачуна може
занемарити.
S + O2 → SO2
1 kmol S + 1 kmol O2 → 1 kmol SO2
32 kg S + 32 kg O2 → 64 kg SO2
32 kg S + 22,4 m3 O2 → 22,4 m3 SO2
1 kg S + 0,7 m3 O2 → 0,7 m3 SO2
2 SO
Q
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 6/27
КОЛИЧИНА ВАЗДУХА ПОТРЕБНА ЗА ПОТПУНО САГОРЕВАЊЕ
• Сабирањем запремина кисеоника потребних за потпуно сагоревање угљеника, водоника и сумпора, имајући у виду
да се том приликом троши и кисеоник садржан у гориву,
добија се да је за потпуно сагоревање 1 kg чврстог или течног горива потребно кисеоника
[m3 /kg]
• Ако се претпостави да се ваздух састоји од 21% кисеоника и
79 % азота (по запремини) и како је густина кисеоника
32/22,4 = 1,429 kg/m3, најмања (теоријска) количина ваздуха потребна за потпуно сагоревање 1 kg чврстог или течног
горива биће
[m3 /kg]
2
2
O
r r r
g r
o
O ρ
V 100
O
100
H5,6
100
S0,7
100
C1,866
2
O ρ
r
g
r
r r O o 2 V
V 0,7S8
OH5,61,866C
21
1
0,21
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 7/27
• Имајући у виду да се процес сагоревања успорава током
реакције због смањења концентрације горива и кисеоника у
смеши и да су у ложиштима парних котлова услови за
сагоревање погоршани због несавршеног мешања великих
количина горива и ваздуха, ваздух се у процес сагоревања доводи у количини већој од теоријске.
• Однос стварне и теоријске количине ваздуха представља
коефицијент вишка ваздуха
• Стварна количина ваздуха за сагоревање у ложишту парног
котла
[m3 /kg]
• У ложиште парног котла се доводи количина ваздуха која је
од теоријске већа за вишак ваздуха
[m3 /kg]
o V
V α
o αV V
o o V 1 α V V V Δ
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 8/27
ЗАПРЕМИНА ПРОДУКАТА САГОРЕВАЊА
• Продукти потпуног сагоревања 1 kg чврстог или течног горива садрже:
– угљен - диоксид (CО2) као продукт потпуног сагоревања угљеника,
– сумпор- диоксид (SО2) као продукт потпуног сагоревања сумпора,
– азот (N2) из теоријске количине ваздуха, из вишка ваздуха и из
горива,
– водену пару (H2О) насталу испаравањем влаге из горива и
сагоревањем водоника, као и од влаге из теоријске количине и вишка ваздуха и
– кисеоник (О2) из вишка ваздуха.
• Азот и кисеоник из вишка ваздуха се у билансу продуката сагоревања
не представљају посебно, него као вишак ваздуха.
• Запремина угљен - диоксида на основу стехиометријске једначине
износи
[m3 /kg]
100
C1,866
r
CO 2
V
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 9/27
• Запремина сумпор- диоксида износи
[m3 /kg]
• Како сумпор- диоксида има мало и пошто су му особине сличне као и угљен- диоксида, запремине угљен- диоксида и сумпор- диоксида
се обично сабирају, па се добија запремина сувих троатомских гасова
[m3 /kg]
• Теоријска запремина азота састоји се од азота из теоријске
количине ваздуха и азота из горива
[m3 /kg]
пошто је kg/m3.
100
S0,7
r
g
SO 2 V
100
S0,7
100
C1,866
r
g r
SO CO RO 2 2 2
V V V
r o
N
r
o o
N V
ρ
V V
2
2
0,008N0,79
100
N0,79
1,2528/22,4 2
N ρ
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 10/27
• Теоријска запремина водене паре настале сагоревањем водоника,
водене паре настале испаравањем влаге из горива и водене паре из
теоријске количине ваздуха је
[m3 /kg]
где је [m3 /m3] - запремина водене паре по 1 m3 околног ваздуха
која се одређује по обрасцу
[m3 /m3]
Густина водене паре је 18/22,4 = 0,804 kg/m3, густина ваздуха
= 1,293 kg/m
3
, а за технички ваздух је d
= 0,01 kg/kg, тако да је = 0,0161 m3 /m3, па је теоријска запремина водене паре
[m3 /kg]
o
O H
O H
r r
o
O H V v ρ
V 2
2
2
100
W
100
H11,2
O H 2
v
O H
v
O H
2
2
ρ
ρd v
O H
2
ρ
v
ρ
O H 2
v
o r r o
O H V V
2
1,611,244W11,2H100
1
d [kg/kg] - маса водене парепо 1 kg ваздуха,
v ρ [kg/m3] - густина ваздуха и
O H 2
ρ [kg/m3] - густина воденепаре.
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 11/27
• Ако би се сагоревање вршило са теоријском запремином ваздуха,
запремине продуката сагоревања би биле
– теоријска запремина сувих продуката сагоревања
[m3
/kg]
– теоријска запремина влажних продуката сагоревања
[m3 /kg]
• У реални процес сагоревања доводи се количина ваздуха већа од
теоријске, па су – стварна запремина сувих продуката сагоревања
[m3 /kg]
– стварна запремина влажних продуката сагоревања
[m
3
/kg]
где је [m3 /kg] - стварна запремина водене паре која је од
теоријске већа за влагу из вишка ваздуха
[m3 /kg]
2 2 2 N SO CO
o
gs V V V V
o
O H
o
gs
o
g 2 V V V
o o
gs gs V 1 α V V
O H gs g 2 V V V
O H 2
V
o o
O H
o
O H
o
O H O H V α V V α v V V
2 2 2 2 10,01611
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 12/27
ОДРЕЂИВАЊЕ КОЕФИЦИЈЕНТА
ВИШКА ВАЗДУХА
• Основна квалитативна карактеристика процеса сагоревања у ложиштима парних котлова је његова потпуност при
минималном вишку ваздуха, коме одговара максимална
температура процеса сагоревања.
• У експлоатацији треба систематски контролисати састав
продуката сагоревања и одређивати коефицијент вишка
ваздуха и хемијску непотпуност сагоревања. За то се користи
гасна анализа, која се врши помоћу анализатора гасова
различитих система. На основу резултата гасне анализе
одређује се коефицијент вишка ваздуха.
• При потпуном сагоревању, коефицијент вишка ваздуха
дефинисан је изразом који представља образац за његово
одређивање преко садржаја троатомских гасова
2
2max
RO
ROα
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 13/27
• Уобичајени садржај сумпора у гориву је знатно мањи од
садржаја угљеника, па се израз може написати у облику који
се чешће среће у пракси
• Савршенији образац за одређивање коефицијента вишка
ваздуха је образац преко садржаја кисеоника у стварним
сувим продуктима сагоревања
• Ако ложишни уређаји парног котла нису правилно одабрани,
ако је вођење процеса неправилно и тако даље, стварају се
продукти непотпуног сагоревања, као што су угљен-
моноксид (СО), водоник (Н2), метан (СН4) и други. Најверо-
ватнији продукт непотпуног сагоревања је угљен-моноксид.
2
2max
COCO α
2O21-
21 α
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 14/27
• Коефицијент вишка ваздуха за случај непотпуног сагоре-
вања, када је у продуктима сагоревања присутан само угљен-
моноксид може се одредити по обрасцу
• Ако се занемари садржај азота у гориву, процентни садржај
азота у сувим продуктима сагоревања износи
[%]
• Контрола сагоревања познатог горива може да се изврши
помоћу такозваног Оствалдовог троугла ако је познат
садржај СО2, О2 и СО у сувим продуктима сагоревања.
2
2
N
0,5COO
21
791
1
α
COORO100N222
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 15/27
АНАЛИЗАТОРИ ДИМНИХ ГАСОВА
• Коефицијент вишка ваздуха се не одређује директно, него на
основу садржаја угљен- диоксида и кисеоника у димним
гасовима. При непотпуном сагоревању потребно је још
познавати и садржај сагорљивих гасова. Састав продуката сагоревања одређује се њиховом анализом која се врши анализаторима различитих система и конструкција.
Анализатори димних гасова могу да буду хемијски и физички.
• Принцип рада хемијских анализатора заснива се на
селективном упијању појединих компонената димних гасова
разним хемијским апсорбентима, док физички анализатори раде на основу коришћења одређеног физичког ефекта или
физичке особине материје.
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 16/27
ЕНТАЛПИЈА ПРОДУКАТА САГОРЕВАЊА
• Енталпија продуката сагоревања је количина топлоте која
се доводи продуктима потпуног сагоревања јединице масе или запремине горива при константном притиску да би се од
почетног стања (t = 0 оС) загрејали до одређене температуре.
• Енталпија продуката сагоревања састоји се од енталпије
теоријске количине продуката сагоревања, енталпије вишка
ваздуха и енталпије летећег пепела
[kJ/kg] ; [kJ/m3]
• Енталпија теоријске количине продуката сагоревања
представља збир енталпија сувих троатомских гасова,
теоријске запремине азота и теоријске запремине водене паре
[kJ/kg] ; [kJ/m3]
[kJ/kg] ; [kJ/m3]
l p vv
o
g g I I I I
t c V t c V t c V I O pH
o
O H pN
o
N pCO RO
o
g 2 2 2 2 2 2
t c V c V c V I O pH
o
O H pN
o
N pCO RO
o
g 2 2 2 2 2 2
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 17/27
• Енталпија вишка ваздуха је
[kJ/kg] ; [kJ/m3]
• Енталпија летећег пепела усваја се када је редукована
количина летећег пепела
[%kg/kJ] и износи [kJ/kg]
• Енталпија продуката сагоревања је
[kJ/kg]
Израз у средњој загради представља топлотни капацитет
продуката сагоревања па је енталпија
[kJ/kg] ; [kJ/m3]
• Графички приказ зависности енталпије продуката сагоревања
од температуре назива се I - t дијаграм и он се може израдити
ако је позната елементарна анализа горива за претпостављене
температуре и коефицијенте вишка ваздуха.
t c V α I pvt
o
vv 1
1,5103
d
r
l p
H
Aa t c
Aa I l p
r
lp
lp 100
t c 100
Aa c V α c V c V c V I l p
r lp
pvt
o
O pH
o
O H pN
o
N pCO RO g 2 2 2 2 2 2
1
t Vc I g g
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 18/27
• Температура која може да се постигне при сагоревању органских
горива са кисеоником из ваздуха зависи од коефицијента вишка
ваздуха, температуре и влажности ваздуха, температуре горива,
ефикасности процеса сагоревања, дисоцијација продуката сагоре-
вања на високим температурама и тако даље.
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 19/27
• Температура која се постиже при потпуном изобарском сагоревању
фосилног горива температуре 0 оС са теоријском количином
ваздуха (V о ) стандардног састава при нормалним условима (p =
= 0,101325 МРа и t = 0 оС), под условом да се целокупна количина
топлоте ослобођена сагоревањем горива користи само за загревање продуката сагоревања назива се пирометријском
[oC]
- [kJ/kgK] топло-
тни капацитет теориј-
ске количине проду-
ката сагоревања
o g
d
p i r Vc
H t
o g Vc
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 20/27
• Ако гориво температуре више од нуле сагорева са вишком ваздуха
(
> 1) чија је температура такође виша од нуле, опет без одавања
ослобођене топлоте, гасовити продукти сагоревања се загревају до
такозване калориметријске температуре
[oC]
где су Q zv и Q G [kJ/kg] ;
[kJ/m3] - количине топлоте
које се уносе у процес
загрејаним или незагреја-
ним ваздухом и горивом
g
G zv d
kal Vc
Q Q H t
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 21/27
• Ако се узме у обзир топлота која се троши на дисоцијацију
компонената продуката сагоревања, добија се такозвана теоријска
или адијабатска температура продуката сагоревања
[o
C]
Количина топлоте која се
троши при дисоцијацији
компонената продуката
сагоревања парних кот-лова може се занемарити,
пошто се она хлађењем
гасова испод 1500 оС
ослобађа и бива иско-
ришћена. Према томе, при
сагоревању горива у
котловима је Q d = 0, па су
калориметријска и тео-
ријска (адијабатска) тем-
пература једнаке
(t kal = t a ).
g
d G zv d
a Vc
Q Q Q H
t
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 22/27
РЕЦИРКУЛАЦИЈА ПРОДУКАТА
САГОРЕВАЊА
• Под рециркулацијом се подразумева одузимање продуката
сагоревања из гасног тракта котла и њихово враћање у гасни тракт
на место које се налази испред места одузимања по току гасова, то
јест, на место гасног тракта са температуром гасова вишом од
температуре рециркулисаних гасова.
• Рециркулација се најчешће врши у циљу сушења влажних угљева при сагоревању у лету, када се одузимају димни гасови високе
температуре са врха ложишта. Поред тога, често се врши и
рециркулација хладних гасова са краја котла ради регулисања
температуре у млину и инертизовања аеросмеше.
•
Посматрано са термодинамичке тачке гледишта, рециркулација је неповољна, јер снижава ексергетски ниво продуката сагоревања на
месту увођења, тако да је, у могућој мери, треба избегавати.
• Рециркулацијом се мењају струјни и температурски услови између
места увођења и места одузимања продуката сагоревања.
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 23/27
На слици је представљен
ток запремина димних гас-
ова за случај рециркулације
са краја ложишта ( В - В ) и
враћања на улаз у ложиште ( А - А ).
Однос запремине рецир-
кулисаних гасова и запре-
мине гасова иза места оду-
зимања назива се степен рециркулације.
Запремина продуката саго-
ревања на произвољном месту између места увође-
ња и места одузимања рец-
иркулисаних гасова је
[m3 /kg]
gB
g r
V
V r
g r gAgu V V V
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 24/27
При нормалним условма
па је укупна запремина про-
дуката сагоревања [m3 /kg]
Температура продуката са-
горевања на месту увођења
рециркулисаних гасова је
[oC]
[kJ/kg] - енталпија проду-
ката сагоревања на месту уво-
ђења гасова после мешања
[kJ/kgК] - топлотни ка-
пацитет продуката сагоревања
на месту увођења рециркули-
саних гасова после мешања
g gB gA V V V
g gu
V r 1 V
guA
guA
guAVc
I t
guAI
guA
Vc
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 25/27
• Енталпија продуката сагоревања на месту увођења рецирку-
лисаних гасова после мешања је
[kJ/kg]
[kJ/kg] - енталпија продуката сагоревања горива на месту увођења рециркулисаних гасова пре мешања
[kJ/kg] - енталпија рециркулисаних димних гасова
• Топлотни капацитет продуката сагоревања на месту увођења
рециркулисаних гасова после мешања је
[kJ/kgK]
[kJ/kgK] - топлотни капацитет продуката сагоревања горива на местуувођења рециркулисаних гасова пре мешања
[kJ/kgK] - топлотни капацитет рециркулисаних димних гасова
•
Температура продуката сагоревања на месту одузимања гасова може да се одреди помоћу енталпије и топлотног капацитета пре
или после одузимања гасова
[oC]
gB gAguA rI I I
gAI
gB I
gB gAguA Vc r Vc Vc
gA
Vc
gB
Vc
gB
gB
gB
gB
guB
guB
B Vc
I
Vc r
I r
Vc
I t
1
1
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 26/27
Поред рециркулисања гасова са краја
ложишта, рециркулишу се и хладни димни гасови са краја котла. У том
случају постоје два степена рецир-
кулације
Укупна запремина продуката сагорева-
ња између места одузимања врелих
гасова ( В - В ) и места одузимања хладних гасова ( С - С ) се мења због
присисавања хладног ваздуха из
околине.
У случају двоструке рециркулације
најбоље је да се изради I - t дијаграм за
гасове са хладном рециркулацијом, тако што ће се енталпије продуката сагорева-
ња горива множити степеном рецирку-
лације хладних гасова после чега се слу-
чај своди на једноструку рециркулацију
[kJ/kg]
gC
g r2
2
gB
g r1
1 V
V r ;
V
V r
g 2 gu2 I r I
7/17/2019 AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/at-3-materijalni-bilans-procesa-sagorevanjapdf 27/27
Котао запроизводњу
прегрејане паре
- продукција паре
D = 22,222 kg/s
- Притисак на излазу из
прегрејача паре
p s = 46 bar
- темапература паре
t s = 450 oC
- температура напојне водеt nv = 130 оС
- глаткоцевни челични загрејач воде