1.3. Основы расчета процесса горения

Расчет процесса горения топлива производится при проектировании тепловых установок как одного из первых его этапов. Целью расчета является определение расхода воздуха на горение выбранного топлива, количества образующихся продуктов горения (дымовых газов), их состава и температуры горения. При необходимости для топлива с низкой теплотой сгорания (древесина, торф, искусственные газы и др.) определяется необходимая температура подогрева воздуха, подаваемого на горение.

По результатам расчета процесса горения выполняются последующие этапы проектирования тепловых установок (гидравлические и теплообменные расчеты, подбор и расчет топливосжигающих устройств, подбор вентиляторов и дымососов, расчет теплоизоляции и т.д.).

Расчеты необходимого количества воздуха и образующихся дымовых газов ведутся на 1 кг твердого и жидкого топлива, а для газообразного топлива  на 1 м³. Причем объемы участвующих в процессе горения газообразных веществ принимаются при нормальных условиях.

1.3.1. Расход воздуха на полное горение топлива. Расход воздуха на горение определяется по количеству кислорода, необходимого для окисления горючих элементов твердого и жидкого топлива или горючих газов газообразного топлива. Расход кислорода устанавливается по стехиометрическим уравнениям горения. Для жидкого и твердого топлива при полном горении они имеют вид

С + О₂ = СО₂;

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; (1.51)

S_ор+к + О₂ = SO₂.

При подстановке атомных и молярных масс в уравнениях получим

1 2 кг С + 32 кг О₂ = 44 кг СО₂;

4 кг Н₂ + 32 кг О₂= 36 кг Н₂О; (1.52)

32 кг S + 32 кг О₂ = 64 кг SO₂.

Стехиометрический объем кислорода на окисление 1 кг каждого горючего элемента топлива находят по результатам следующих расчетов:

(1.53)

и ли

1 кг С+1,866 м³ О₂ = 1,866 м³ СО₂;

1 кг Н₂+ 5,56 м³ О₂ = 11,12 м³ Н₂О; (1.54)

1 кг S_ор+к + 0,7 м³ О₂ = 0,7 м³ SO₂,

где величины 1,429; 1,977; 0,804; 2,885 – плотности соответственно газов О₂, СО₂ и SO₂ в кг/м³ при нормальных условиях.

Теоретический необходимый объем кислорода на горение определяется как сумма затрат его на горение горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива (С^р, Н^р, ) за вычетом кислорода топлива.

м³/кг (1.55)

или

, м³/кг, (1.56)

где  плотность кислорода, равная 1,429 кг/м³.

Для газообразного топлива полное горение горючих газов описывается следующими уравнениями:

C О + 0,5О₂ = СО₂ + 12 640;

Н₂ + 0,5О₂ = 2Н₂О + 10 800;

Н₂S + 1,5О₂ = SO₂ + H₂O + 23 650;

CН₄ + 2О₂ = CO₂ + 2Н₂О + 35 820;

C₂Н₄ + 3О₂ = 2CO₂ + 2Н₂О + 59 070;

C₂Н₆ + 3,5О₂ = 2CO₂ + 3Н₂О + 63 750; (1.57)

C₃H₆ + 4,5O₂ = 3CO₂ + 3H₂O + 86 010;

C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 91 400;

C₄H₈ + 6O₂ = 4CO₂ + 4H₂O + 113 200;

C₄H₁₀ + 6,5O₂ = 4CO₂ + 5H₂O + 118 700;

C₅H₁₂ + 8O₂ = 5CO₂ + 6H₂O + 146 000.

Числа в конце химических уравнений (1.57) характеризуют тепловой эффект (энтальпию) реакций окисления горючего газа в кДж/м³.

Для сгорания 1 м³ любого газообразного топлива теоретический необходимый объем кислорода рассчитывается по следующей универсальной формуле:

, м³/м³, (1.58)

где СО, Н₂, H₂S, C_mH_n – содержание соответствующих горючих газов, % об.; m, n –числа атомов соответственно С и Н в химической формуле углеводородов; О₂  содержание кислорода в газообразном топливе, % об.; 0,5; 1,5;  соответственно коэффициенты, принятые из уравнений (1.57).

Теоретически необходимый объем воздуха на горение (L_о) рассчитывают по зависимости

L₀ = , м³/м³ (м³/кг), (1.59)

где 0,21 – объемная доля кислорода в воздухе.

При сжигании топлива с использованием воздуха, обогащенного кислородом , потребность его определяют как

, м. (1.60)

Окончательную формулу расчета теоретически необходимого расхода воздуха на горение получают с использованием выражений 1.54 и 1.58, для твердого и жидкого топлива

, м³/кг, (1.61)

для сухого газообразного топлива

,м³/м³. (1.62)

Теоретический расход атмосферного воздуха ( ) при его влагосодержании d(г/кг сух. возд.) составит

, м³/м³, (1.63)

где 0,0016 – переводной коэффициент массового количества влаги в атмосфере в объемное, полученный из зависимости (0,001·_возд/_{вод пар}).

Влагосодержание воздуха (d) определяют по диаграмме Рамзина по исходным данным для воздуха – температуре и относительной влажности (рис. 1.1).

Р ис. 1.1. hd-диаграмма влажного воздуха (до 190С) при барометрическом давлении воздуха 99,4 кПа

Поскольку теоретическое количество воздуха обычно не обеспечивает полное сгорание топлива, поэтому воздух берут в избытке. Отношение действительного расхода (L_д)воздуха к теоретическому принято называть коэффициентом избытка воздуха ().

, (1.64)

откуда для сухого воздуха

, м³/кг (м³/м³), (1.65)

для влажного (атмосферного) воздуха

, м³/кг (м³/м³). (1.66)

Коэффициент избытка воздуха принимают на основе практических данных. Контроль его ведут по результатам химического анализа продуктов горения топлива. Упрощенная формула для расчета :

при неполном горении

, (1.67)

при полном горении

, (1.68)

где О₂, СО, N₂ – содержание кислорода, оксида углерода и азота в продуктах горения, % об; 79, 21 – соответственно содержание азота и кислорода в воздухе, % об.

Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа его сжигания может приниматься в пределах 1,011,5 и более. Так, например, для газа и мазута он составляет 1,011,2, пылевидного топлива  1,21,25.

Избыточное количество воздуха, подаваемого для полного сжигания топлива, может быть определено по зависимости

, м³/м³ (м³/ кг). (1.69)

1.3.2. Расчет объема продуктов горения и их состава. При полном горении топлива продукты горения содержат СО₂, Н₂О, SO₂, N₂, а также О₂.

Общий объем продуктов горения (топочных или дымовых газов) определяют:

при  = 1

как , м³/кг (м³/м³); (1.70)

при  > 1

как , м³/кг (м³/м³). (1.71)

Если известно V₀, то

, м³/кг (м³/м³). (1.72)

С изменением  в продуктах горения будет изменяться содержание , т.е. тех компонентов, которые присутствуют в воздухе. Объемы СО₂ и SO₂ при этом остаются постоянными. Объемное содержание трехатомных газов в продуктах горения при расчетах объединяют и обозначают в виде .

Объемы составляющих продуктов горения твердого и жидкого топлива определяют по формулам, составленным на основе уравнений реакций окисления их горючих элементов (1.54):

, м³/кг; (1.73)

, м³/кг; (1.74)

, м³/кг; (1.75)

, м³/кг; (1.76)

, м³/кг; (1.77)

, м³/кг. (1.78)

В формулах 1.731.78 величины подставляются в % мас.; величина 100 w_пар подставляется лишь в случае, когда для распыления жидкого топлива используется пар, кг/кг топлива; величины 0,0124 и 0,008 – коэффициенты соответственно пересчета масс влаги топлива и пара распыления, а также азота топлива в объемные единицы. Некоторую особенность расчета объема СО₂, образующегося при горении, имеют горючие сланцы. При их сгорании в продукты горения попадает СО₂ из карбонатной части топлива в результате ее диссоциации.

Поэтому в формулу (1.73) расчета вводится поправка

, м³/кг, (1.79)

где СО₂ – содержание углерода в горючих сланцах (в карбонатной части), % мас.; β  степень разложения карбонатов (принимается равной 1 при сжигании сланцев в пылевидном состоянии или 0,7 при сжигании в кусковом виде);  плотность СО₂, кг/м³.

Объем продуктов горения газообразного топлива определяют по формулам:

, м³/м³; (1.80)

, м³/м³; (1.81)

, м³/м³; (1.82)

,м³/м³; (1.83)

, м³/м³; (1.84)

, м³/м³. (1.85)

При проведении расчетов в формулы 1.801.85 вместо химических формул газов подставляют их величины из состава топлива в % об.

Общий объем продуктов горения V₀ при =1 или V_ при >1 определяют как сумму составляющих продуктов горения (V_i).

Объем продуктов горения при разных значениях  можно найти как

, м³/кг (м³/м³), (1.86)

где ΔV = V₀  L₀ = V_  L_, т.е. ΔV представляет величину, не зависящую от .

Расчет состава продуктов горения производят по найденным значениям V_i и V_i = V_, например,

, % об. (1.87)

, % об., и т.д.

Кроме состава образующихся продуктов горения, при расчете тепловых процессов и аэродинамики газов возникает необходимость в определении их физических и теплотехнических характеристик, в частности теплоемкости, теплопроводности, плотности, удельного объема, кажущейся молекулярной массы, газовой постоянной, влагосодержания, парциального давления компонентов и др.

Определяют их по аддитивным зависимостям и формулам, известным из курса теплотехники для смесей газов.

Влагосодержание d продуктов горения, необходимое при расчетах процессов сушки, определяют либо по объему составляющих продуктов горения

, г/кг сух. газ., (1.88)

либо по процентному составу их

, г/кг сух. газ., (1.89)

где  плотности составляющих газов продуктов горения, кг/м³;  объемы газов в продуктах горения при сжигании 1 кг или 1 м³ топлива при н.у.; H₂O, CO₂, N₂, O₂, SO₂  содержание газов в продуктах горения, % об.

Общее количество образующихся дымовых газов при сжигании В (кг/ч или м³/ч) топлива определяют из выражения

, м³/ч. (1.90)

При движении дымовых газов по дымоходам, рабочему пространству тепловых установок объем их увеличивается за счет подсоса воздуха через неплотности под действием разрежения. Тогда

, м³/ч, (1.91)

где _общ – общий коэффициент избытка воздуха на рассматриваемом участке, полученный по анализу дымовых газов.

В технологических тепловых установках при определении общего объема дымовых газов надо учитывать количество газов, образующихся при испарении влаги из сырья и материалов, изделий, разложении компонентов сырья и т.д.

1.3.3. Материальный баланс процесса горения. Составляется для проверки правильности предыдущих расчетов на 100м³ газообразного топлива или на 100 кг твердого или жидкого топлива по зависимости G_т + G_в = G_п.г + G_зол (табл. 1.11, 1.12).

В табл. 1.11 в формулах для расчета массовых количеств компонентов газообразного топлива, участвующих в горении, подставляются их величины в % об., а плотности газов  при н.у. Плотности газов определяют из выражения

, кг/м³, (1.92)

где _i – молярная масса компонента газообразного топлива, кг/кмоль; 22,4 – объем киломоля газа при н.у., м³/кмоль.

После составления материального баланса процесса горения топлива рассчитывается невязка баланса по формуле.

, %, (1.93)

которая допускается не более 0,5%.

Таблица 1.11