4. Аналитический расчет горения твердого и жидкого топлив

Для аналитического расчета необходимо знать элементарный состав топлива (см. формулу 3.3):

C^Р + Н^Р + S^P + N^Р + О^Р + А^Р + W^Р = 100%

В данной формуле состав топлива задан в процентах по массе. При этом кислород, необходимый для окисления горючих элементов, нужно определить по объему – в кубических метрах. Для перехода от одной единицы измерения к другой будем использовать мольное соотношение кислорода и горючего элемента в реакции окисления.

1. Определение объема кислорода для сжигания 1кг топлива

Каким бы сложным ни был состав углеводородного топлива, при его полном сгорании углерод окисляется до СО₂, водород – до Н₂О, сера – до SО₂.

Рассмотрим стехиометрические уравнения реакций окисления:

. (4.1)

Для окисления одного кмоля углерода массой 12 кг требуется один кмоль кислорода, занимающего объем 22,4 м³. Следовательно, расход кислорода на полное сжигание 1 кг углерода равен .

Тогда, если в 1 кг данного топлива содержится углерода (%)С^Р, то для его окисления потребуется кислорода:

.

Здесь, как и в последующих формулах, коэффициент 0,01 необходим, поскольку при задании состава топлива доля углерода С^Р была задана в процентах.

Из второго уравнения (4.1) видно, что для окисления двух кмолей водорода массой 4 кг требуется один кмоль кислорода, т.е. на горение 1 кг водорода необходимо затратить кислорода 22,4/4 = 5,6 м³/кг.

Тогда для окисления водорода в количестве (%)Н^Р, содержащегося в 1кг топлива, потребуется объем кислорода:

.

Аналогично, для окисления (%)S^Р серы в 1кг топлива необходим кислород в объеме:

.

В состав твердых и жидких топлив входит какое-то количество кислорода О^Р, который при горении топлива может участвовать в реакциях окисления. Поэтому из суммарного объема кислорода, необходимого для горения 1 кг топлива, следует вычесть объем кислорода топлива. Найдем этот объем, используя мольное соотношение. Один кмоль кислорода массой 32 кг занимает объем 22,4 м³ , т.е. 1 кг кислорода имеет объем:

.

Следовательно, объем кислорода, содержащегося в 1 кг топлива, составит:

.

Отсюда общий расход кислорода, необходимого для полного сгорания 1 кг жидкого или твердого топлива, будет равен:

. (4.2)

2. Определение объема воздуха для сжигания 1 кг топлива

Теоретический объем сухого воздуха можно определить из выражения:

м³/кг, (4.3)

где K = 3,76 (см. формулу(3.10)).

Действительный расход сухого воздуха равен

м³/кг. (4.4)

Влагосодержание воздуха, как и горючих газов, задают в количестве граммов водяных паров, приходящихся на 1 м³ сухого воздуха, и обозначают d^С.В. г/м³. Определим объем, занимаемый этой влагой, используя мольное соотношение. Один кмоль водяных паров массой 18 кг занимает объем 22,4 м³. Отсюда объем 1г влаги равен . Тогда объем водяных паров, содержащихся в воздухе, необходимом для горения 1 кг топлива, равен .

Отсюда теоретический расход влажного воздуха равен:

м³/кг, (4.5)

а действительный расход влажного воздуха равен:

м³/кг. (4.6)

3. Определение объема и состава продуктов сгорания

При проектировании теплотехнических агрегатов нужно знать количество образующихся газов, чтобы правильно рассчитать газоходы, дымовую трубу, выбрать устройство (дымосос) для удаления этих газов и т. д. Продукты сгорания рассчитываются следующим образом: сначала производится расчет объема и состава продуктов сгорания при  = 1, а затем – при >1.

В результате полного сжигания топлива при  = 1 образуются продукты сгорания, содержащие СО₂, SO₂, Н₂О и N₂.

Объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1кг твердого или жидкого топлива при  = 1, равен:

м³/кг. (4.7)

Рассмотрим еще раз реакции окисления (4.1):

Используя мольное соотношение, можно определить, что из одного кмоля углерода массой 12 кг образуется один кмоль СО₂ объемом 22,4 м³. Это значит, что в результате окисления 1кг углерода образуется двуокиси углерода. Тогда при сжигании 1кг топлива объем образовавшегося СО₂ равен:

. (4.8)

Аналогичные рассуждения позволяют определить объем образовавшегося SО₂ при сжигании 1кг топлива:

. (4.9)

В продуктах полного сгорания твердого или жидкого топлива водяной пар может образовываться:

1) при окислении водорода;

2) при переходе из топлива в результате испарения содержащейся в нем влаги;

3) при внесении влажным атмосферным дутьем.

Объем водяных паров при окислении водорода можно определить из мольного соотношения по реакции его сгорания: из одного кмоля водорода массой 2 кг образуется один кмоль водяных паров объемом 22,4 м³. Тогда при сжигании 1кг топлива объем водяных паров, являющихся результатом окисления водорода, равен:

.

При испарении влаги топлива из одного кмоля воды массой 18 кг образуется один кмоль паров объемом 22,4 м³. Тогда при сгорании 1кг топлива объем этой влаги составит:

.

Объем водяных паров, внесенных с воздухом, равен

м³/кг.

Общий объем влаги, образующейся при сгорании 1кг топлива, равен:

. (4.10)

Источниками азота в продуктах полного сгорания являются само топливо ((%)N₂) и атмосферный воздух или обогащенное дутье.

По массе кмоля азота (28 кг) и его объему (22,4 м³) легко определить объем 1 кг азота: . Тогда

.

В атмосферном воздухе при соотношении объемов азота и кислорода объем азота составляет:

м³/кг.

Общий объем азота в дымовых газах, м³

. (4.11)

Состав продуктов полного сгорания при сжигании 1 кг топлива при =1 определяется следующим образом:

; ;

(4.12)

; .

Объем и состав продуктов сгорания при >1 будет отличаться от аналогичных характеристик при =1 из-за наличия избыточного воздуха.

Поскольку при =1 предусматривается полное окисление горючих компонентов, то при >1 объемы СO₂ , SO₂ и Н₂О останутся в составе продуктов сгорания. Но избыточный воздух повлияет на объемы пара и азота следующим образом:

; (4.13)

. (4.14)

В дополнение к этому в продуктах сгорания появится свободный (избыточный) кислород, объем которого в пересчете на 1 кг топлива, определяется по формуле:

. (4.15)

С учетом всех дополнений можно рассчитать объем продуктов сгорания при >1:

м³/кг. (4.16)

Состав продуктов сгорания при >1:

; ;

(4.17)

; ;

.