4.2.1. Стехиометрические соотношения. Количество воздуха, необходимое для горения топлива

Горючие компоненты топлива (С, Н, S) вступают в химические реакции с кислородом воздуха в определенном соотношении и при достаточно высокой тем-пературе, образуя при этом продукты сгорания (СО₂ – диоксид углерода, Н₂О – водяной пар, SO₂ – сернистый ангидрид), выделяя определенное количество теплоты.

Состав воздуха при расчетных горения содержит по объему 21% О₂ и 79% N₂, или по массе соответственно 23 % О₂ и 77 % N_2.

Количество воздуха, а следовательно и кислорода, теоретически необходи-мое для полного сгорания всех горючих компонентов единичной массы топлива, и количество образующихся продуктов сгорания определяются по сте-хиометрическим уравнениям (избыток воздуха α = 1) горения.

Уравнение горения углерода записывается в виде

МДж/кг, (4.3)

или МДж/кг; при пересчете на единич-ную массу углерода, окончательно имеем

МДж/кг. (4.4)

Из равенства (4.4) следует, что для сжигания 1 кг углерода требуется 2,67 кг кислорода, при этом выделяется 3,67 кг диоксида углерода и 33,7 МДж/кг теплоты.

Объемное количество кислорода V_О2 , необходимое для сжигания 1 кг углерода определится из выражения

,

где кг/м³ – плотность кислорода при нормальных условиях.

Объемное количество диоксида углерода, образовавшегося в результате реакции горения углерода, определится по формуле

,

где кг/м³ – плотность диоксида углерода при нормальных условиях.

Таким образом, расход кислорода при сжигании С^р углерода, составит: по массе 2,67 C^o кг/кг, по объему 1,867 C^o м³/кг.

Уравнение горения водорода записывается в виде

МДж/кг, (4.5)

или МДж/кг. При пересчете на единичную массу водорода, окончательно имеем

МДж/кг. (4.6)

Объемное количество кислорода, необходимое для сжигания 1 кг водорода, определится из выражения

, м³/кг.

Объемное количество водяных паров, образовавшихся при горении водо-рода, составит

, м³/кг.

Таким образом, расход кислорода при сжигании Н^р водорода составит: по массе G_O2=8Н^р, кг/кг, а по объему V_О2=5,6 Н^р, м³/кг.

Уравнение горения серы записывается в виде

МДж/кг, (4.7)

или МДж/кг; при пересчете на единичную массу серы, окончательно имеем

МДж/кг. (4.8)

Объемное количество кислорода, необходимое для сжигания 1 кг серы, определится из выражение

м³/кг.

Объемное количество сернистого ангидрида (диоксид серы), образова-вшегося при горении серы, составит

Таким образом, расход кислорода при сжигании S^р серы составит: G_O2=1,0·S^р, кг/кг, а по объему V_О2=0,7·S^р, м³/кг.

В результате суммарное количество кислорода, необходимого для горения углерода, водорода и серы, содержащихся в 1 кг топлива, определится по формулам:

по массе , кг/кг, (4.9)

по объему , м³/кг

Учитывая, что при сгорании топлива только часть водорода требует для сжигания кислород воздуха, вводится поправка на количество водорода, участв-ующее в горении, равная , которая называется «свободный водород».

Сера топлива, участвующая в горении, называется летучей и количество ее в рабочем составе обозначается .

Тогда уравнения (4.12) окончательно запишутся в виде

;

. (4.10)

Количество продуктов сгорания, образовавшихся от сжигания С^р, Н^р, определяется по зависимостям

,

. (4.11)

Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг топлива, определится по формулам

, кг/кг,

, м³/кг

В действительных процессах сгорания топлива в различных топливосжига-ющих устройствах (камеры сгорания, топки и т.д.) воздуха потребляется больше, чем теоретически необходимого. Это обусловлено несовершенством процесса смесеобразования, качеством распыливания топлива, недостаточными аэродина-мическими, температурными и другими факторами.

Отношение количества действительного расхода воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха, который опреде-лится по формуле

. (4.12)

Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, режима работы теплового двигателя (максимальная мощность, наибольшая экономии-чность, холостой ход и др.). Например, в поршневых ДВС коэффициент избытка воздуха составляет α = 0,85…1,3 (бензиновые) и α = 1,3…2,1 (дизельные). в топках котлов α = 1,05…1,1 (мазут), α = 1,03…1,05 (газовое топливо) и α = 1,1…1,3 (уголь), в камерах сгорания газовых турбин α = 3…9%.

При полном окислении всех горючих компонентов топлива, когда для горе-ния достаточно теоретически необходимого количества воздуха (α = 1) и потери теплоты отсутствуют, будет получена максимальная температура продуктов сгорания.

В действительности процесс горения идет с избытком воздуха (α > 1,0), с некоторой неполнотой сгорания и потерями теплоты в окружающую среду, а также из-за диссоциации. Поэтому действительная температура горения топлива будет ниже теоретической Ее значения для ряда горючих веществ при Т_о = 273 К (t_о = 0^оС), приведены в работе [1].