6. Расход воздуха, необходимый для горения

В изолированных, как и совместных параллельных и последовательных реакциях, исходные вещества вступают в химические соединения и образуют новые продукты в определенных, так называемых стехиометрических соотношениях (закон кратных отношений Дальтона).

Согласно этому закону горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к 1 кг горючего и выразив газообразные вещества в объемных единицах, делением их массовых количеств на значения плотностей получим количество кислорода и выход продуктов сгорания на 1 кг каждый составляющей горючей массы топлива в м³ при давлении 0,1013 МПа (760 мм рт. ст) и 0С.

Для углерода: С+О₂ =СО₂ ,

12,01 кг С+32 кг О₂ =44,01 кг СО₂ ;

1 кг С+1,866 м³ О₂ = 1,866 м³ СО_2.

Для серы: S+О₂ =SО₂ ,

32,06 кг S+ 32 кг О₂ =64,06 кг SО₂ ;

1 кг S+0,7 м³ О₂ =0,7 м³ SО_{2 .}

Для водорода:2Н₂ +О₂ =2Н₂О,

4,032 кг Н₂ +32 кг О₂ =36,032 кг Н₂О;

1 кг Н₂О+5,55 м³ О₂ =11,1 м³ Н₂О.

Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива, и вычитая количество кислорода топлива, получим теоретически необходимое количество кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива , :

В формуле:

С^р; S_ор+к^р; Н^р; О^р – соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и кислорода в топливе, %; - плотность кислорода, .

В воздухе содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому теоретически необходимое количество воздуха для горения V⁰, , т.е. количество воздуха, которое необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащийся в нем кислород прореагирует, составляет:

Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку приходится подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение количества воздуха V_в, действительно поданного в топку, к теоретически необходимому V⁰ называется коэффициентом избытка воздуха:

При нормальной организации топочного процесса >1, причем чем совершеннее топка и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится подавать «лишнего» воздуха. В лучших топочных устройствах =1,02-1,05, в плохих – до 1,3-1,5.

7. Продукты сгорания топлива

Продукты полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива содержат: продукты полного сгорания углерода и серы; азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха; теоретическое количество водяного пара, включающее в себя пар, образующийся при испарении влаги топлива и в результате полного сгорания водорода топлива, пар, вносимый в топку влажным теоретически необходимым количеством воздуха, и пар, используемый иногда для распыления при сжигании мазута; и, наконец, избыточно поданный воздух и находящийся в нем водяной пар.

При определении состава продуктов сгорания с помощью газоанализаторов в отбираемой для анализа пробе газов водяные пары конденсируются. Результаты анализа дают процентное содержание продуктов сгорания от общего объема газов без водяных паров. Поэтому обычно продукты сгорания разделяют на сухие газы и водяные пары. В этих анализах содержание трехатомных газов СО₂ и SО₂ определяется совместно, поэтому их принято обозначать символом RО₂ и подсчитывать по формуле:

Для упрощения расчетов объемы остальных компонентов продуктов сгорания расчленяют на теоретические количества, получающиеся при сжигании 1 кг топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, и их количества в избыточно поданном для горения воздухе.

Теоретический объем азота , м³/кг,

,

где число 0,8 представляет частное от деления единицы на плотность азота, равную 1,251 кг/м³.

Теоретический объем водяных паров , м³/кг,

= ,

В этом выражении первое слагаемое представляет собой объем водяного пара, получаемого при сгорании водорода топлива; второе – объем водяного пара, получаемого при испарении влаги, содержащейся в топливе 0,01W^р/ ; третье – объем водяного пара, вносимого теоретически необходимым количеством воздуха, равный:

,

где и d – соответственно плотность сухого воздуха и водяного пара и содержание влаги в воздухе, обычно принимаемое равным 10 г/кг.

Объем пара, используемого в количестве G_ф, кг/кг, для распыления мазута или дутья, включается в выражение дополнительным слагаемым – величиной 1,24 G_ф.

Объем трехатомных сухих газов в сумме с теоретическим объемом азота и водяного пара составляет теоретический объем продуктов сгорания ,

При сжигании топлива с >1 действительный объем продуктов сгорания больше теоретического на величину объема избыточно поданного в топку воздуха (-1)V⁰ и объема водяных паров, содержащихся в нем, 0,0161( - 1) V⁰. Поэтому общий объем продуктов сгорания составляет V_Г, м³/кг,

Общий объем продуктов сгорания разделяют на объем сухих газов V_С._Г, м³/кг,

и общий объем водяных паров м³/кг,

Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газового топлива также рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих.

Теоретическое количество V⁰ м³/м³, определяется как суммарный его расход на сжигание горючих 1 м³ сухого газового топлива при =1 по формуле:

При отсутствии данных о составе непредельных углеводородов принимается, что они состоят из С₂Н₄.

Теоретический объем азота , м³/м³,

Объем трехатомных газов , м³/м³,

;

,

где d_г._тл. – влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/ м³.

Обычно в топочных камерах поддерживается небольшое разряжение для предотвращения выбивания газов в помещение котельной. В последующих за топкой газоходах парогенератора устанавливается разрежение, превышающее разрежение в топке на величину сопротивления, рассматриваемого и предшествующих газоходах. Через неплотности в металлической обшивке и обмуровке парогенератора, через лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха в газоходы, находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сгорания, протекающих в них. Величины присосов воздуха в газоходы парогенератора в долях от теоретически необходимого количества воздуха при исправном состоянии обмуровки, обшивки и гарнитуры парогенераторов.

Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для выбранных значений _т и коэффициентов избытков воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с _т присосов воздуха в рассматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V⁰. В газоплотных парогенераторах присосы воздуха отсутствуют. Объем газа по газоходам остается одинаковым и рассчитывается по коэффициенту избытка воздуха в топке.