2.2. Определение объемов воздуха, расходуемого на горение и продуктов сгорания

Объемы кислорода воздуха и продуктов сгорания под­считывают исходя из уравнений реакций горения основ­ных компонентов природного газа.

Для составления уравнений горения газов в воздухе не­обходимо, знать содержание в нем кислорода и других со­ставляющих.

На 1 м³ кислорода в воздухе приходится 3,76 м³ азота и редких газов (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Основные постоянные компоненты атмосферы земли

Газ	Содержание, %
	по массе	по объему
Азот	73,53	78,09
Кислород	23,14	20,94
Аргон	1,28	0,93
Диоксид углерода	0,05	0,035
Неон	1,2 10-3	0,001
Гелий	5,24 10-3	0,001
Криптон	3,3 10-3	0,001
Водород	5 10-3	0,001

Стехиометрическими называют уравнения реакций, в которых отношение количеств исходных веществ строго соответствует условию получения конечных продуктов. Стехиометрические уравнения горения не отражают всех сложных промежуточных явлений процесса, а характери­зуют итоговые количественные соотношения.

Уравнения сгорания основных компонентов природно­го газа в воздухе приведены ниже:

СН₄+2О₂+7,52N₂=СО₂+2Н₂О+7,52N₂; (2.3) С₂Н₆ +3,5О₂ + 13,16N₂ = 2СО₂ + ЗН₂О + 13,16N₂; (2.4)

С₃Н₈ + 5О₂+ 18,8N₂ = ЗСО₂ + 4Н₂О + 18,8N₂; (2.5)

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ + 24,4N₂ = 4СО₂ + 5Н₂О + 24,4N₂; (2.6)

С₅Н₁₂ + 8О₂ + 3ON₂ = 5СО₂ + 6Н₂О + 30N₂. (2.7)

Аналогичным образом составляются уравнения горения продуктов неполного сгорания - СО, Н₂:

Н₂ + 0,5О₂ + 1 ,88N₂ = Н₂0 + 1 ,88N₂; (2.8)

СО + 0,5О₂ + 1 ,88N₂ = СО₂ + 1 ,88N₂. (2.9)

В общем виде стехиометрическое уравнение полного сгорания смеси углеводородного газа с воздухом имеет следующий вид:

(2.10)

где m- число атомов углерода в газе;

п - число атомов водорода в газе.

С уммарный расход кислорода (м³), необходимый для сгорания 1 м³ природного газа, подсчитывают по формуле

(2.11)

где СН₄, С₂Н₆ и т.д. - содержание в газе горючих компонентов в процентах по объему.

В соответствии с содержанием в воздухе по объему около 21% кислорода и 79% азота необходимый для полного сгорания газа объем воздуха определяют из выражения:

, а объем азота воздуха соответственно

О бъем двуокиси углерода, образующийся при сгорании 1 м³ природного газа (м³) подсчитывают по формуле (2.12), а объем водяного пара по формуле (2.13) (без учета влаги, содержащейся в воздухе и газе):

(2.12)

(2.13)

Кроме того, в продуктах сгорания содержится азот, подсчитываемый по формуле

(2.14)

где - объем азота в исходном горючем газе.

П ри сжигании газа с избытком воздуха объем воздуха, расходуемый в топке, подсчитывают по формуле

(2.15)

где α - коэффициент избытка воздуха.

При полном сгорании газа с коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания содержится избыточный ки­слород в количестве

(2.16)

а содержание азота в продуктах сгорания возрастает и оп­ределяется по формуле

(2.17)

П ри неполном сгорании 1 м³ природного газа объем сухих

п родуктов сгорания, состоящих из СО₂, СО, СН₄, Н₂, N₂ и избыточного О₂ (м³) можно подсчитать по балан­су углерода по формуле

(2.18)

В числителе - углеродосодержащие компоненты при­родного газа, а в знаменателе - углеродосодержащие ком­поненты продуктов сгорания по данным газового анализа.

О бъем водяного пара в продуктах неполного сгорания природного газа (м³) можно подсчитать по формуле

(2.19)

Суммарный объем влажных продуктов полного сгора­ния 1 м³ бессернистого газообразного топлива:

Объем сухих продуктов сгорания:

Пример 1. Определить объем воздуха, объем и состав продуктов сгорания при полном сжигании природного газа следующего состава (%): СН₄ - 95; С₂Н₆ - 1; С₃Н₈ - 0,6; C₄H₁₀-0,4; CO₂-l;N₂-2.

Коэффициент избытка воздуха  = 1,1.

Расчет объема кислорода ведем по формуле (2.11):

Состав сухих продуктов сгорания:

При сжигании газообразного топлива объем сухих про­дуктов сгорания меньше объема воздуха, израсходованного на горение, а объем влажных продуктов сгорания - больше объема воздуха. Соотношения объемов воздуха и продуктов сгорания газообразного топлива приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Соотношение объемов воздуха и продуктов сгорания

Сжигаемый газ	, м3	, м3	, м3
Природный	8,5	9,5	10,5	0,90	0,9
Окись углерода	2,88	2,38	2,88	0,83	0,79
Водород	1,88	2,38	2,88	0,83	0,79
Метан	8,52	9,52	10,52	0,90	0,9
Этан	15,16	16,66	18,16	0,92	0,91
Пропан	21,80	23,80	25,80	0,925	0,91
Бутан	28,44	30,94	33,44	0,93	0,92
Пентан	35,08	38,08	41,08	0,93	0,92