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



• 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.



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.



• 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



– 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



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



• 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



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



• 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



• 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.



• 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



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



• 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



• 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



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.



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



• 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



• 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.



• 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



• 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



• 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



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.



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



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



• 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



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



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

Documents

AT-3 Materijalni bilans procesa sagorevanja.pdf