Материальный баланс процесса горения газообразного топлива

Приход	кг	%	Расход	кг	%
1. Природный газ, в т.ч. CH4 C3H6 C3H8 C4H10 C5H12 CO2 N2 H2O	100ri · i CH4 · C3H6 · C3H8 · C4H10 · C5H12 · CO2 · N2 · H2O ·		1. Продукты горения, в т.ч. CO2 H2O N2 О2	100·Vi · i
2. Воздух, в т.ч. O2 N2 H2O	100
Итого	G1	100	Итого	G2	100

Таблица 1.12

Материальный баланс процесса горения твердого (жидкого) топлива

Приход	кг	%	Расход	кг	%
1	2	3	4	5	6
1. Твердое (жидкое топливо)	100		1. Зола (шлак)	Ас
2. Воздух, в т.ч. О2 N2 H2O	100		2.Продук-ты горе-ния, в т.ч. CO2 SO2 H2O N2 О2	100·Vi · i
Итого	G1	100	Итого	G2	100

1.3.4. Температуры горения топлива. Различают следующие температуры горения: калориметрическую (адиабатическую), теоретическую и действительную (пирометрическую).

Калориметрической температурой горения называют такую температуру горения, которую приняли бы продукты горения, если бы вся выделявшаяся при горении теплота пошла только на их нагрев.

В отличие от калориметрической теоретическая температура устанавливается с учетом поглощения теплоты на диссоциацию Н₂О и СО₂ при температуре выше 1600С. При температурах, не превышающих этот предел, большой разницы между калориметрической и теоретической температурой нет.

Действительной температурой называется такая температура, которую примут продукты сгорания, образовавшиеся при сжигании топлива, в тепловой установке (топке, печи), т.е. с учетом потерь теплоты в окружающую среду, механического, химического недожога, потерь теплоты с очаговыми остатками.

Калориметрическая и теоретическая температуры рассчитываются достаточно точно, действительная находится приближенно, т.к. не представляется возможным учесть все факторы, влияющие на процесс сжигания топлива. Калориметрическая и теоретическая температуры горения определяются с помощью Нt-диаграммы, построенной для данного топлива, или по тепловому балансу процесса горения. Если калориметрическая температура горения превышает 1600С, то при расчете теоретической температуры горения учитывается теплота, затрачиваемая на термическую диссоциацию СО₂ и Н₂О. Если она не будет превышать 1600С, то расход теплоты на реакции диссоциации будет незначительным и в расчетах не учитывается.

Для построения Нt-диаграммы рассчитывается энтальпия продуктов горения 1 кг твердого (жидкого) топлива или 1 м³ газообразного топлива при заданной температуре:

, кДж/кг (кДж/м³), (1.94)

где V_  объем продуктов горения от сжигания 1 кг или 1 м³ топлива при заданном ;  средняя объемная изобарная теплоемкость продуктов горения при t_п.г, кДж/(м³·К) [1](прил., табл. 6); t_п.г заданная температура продуктов горения, С.

Энтальпия продуктов горения может быть определена как сумма энтальпий газов (h_i) [1](прил., табл. 7), входящих в состав продуктов горения.

, кДж/кг (кДж/м³), (1.95)

, кДж/кг (кДж/м³), (1.96)

где  средняя объемная изобарная теплоемкость индивидуального газа, входящего в состав продуктов горения, при t_п.г, кДж/(м³ · К).

Обычно для построения линии H = f(t) в Нt-диаграмме достаточно принять 35 значений температур и произвести вычисление энтальпий.

Исходные и расчетные данные заносятся в таблицу (табл. 1.13).

В табл. 1.13 ; принимается равной теплоемкости СО₂, т.к. .

По заданным значениям t_п.г и рассчитанным величинам , строится Нt-диаграмма (рис. 1.2).

Таблица 1.13

Расчет энтальпий продуктов горения (>1)

tп.г, C
t1 (100) t2 (500) t3 1000) t4(1500) t5 2000)	+	+ + + + +	+ + + + +	+	+ + + + +	+ + + + +	+

tп.г, C
t1 t2 t3 t4 t5	+ + + + +	+ + + + +	+	+ + + + +	+ + + + +	Н1 Н2 Н3 Н4 Н5

+ Места подстановки исходных данных и результатов вычислений

Рис. 1.2. Нt-диаграмма продуктов горения топлива

В построенной Нt-диаграмме находят калориметрическую температуру горения топлива, определив энтальпию процесса горения по формулам:

для твердого и жидкого топлива

, кДж/кг; (1.97)

для газообразного топлива

, кДж/м³ (1.98)

где , Q_н  низшая теплота сгорания соответственно твердого (жидкого) и газообразного топлива, кДж/кг и кДж/м³;  теплоемкость твердого (жидкого) или газообразного топлива при температуре t_т, t_г [1](прил., табл. 6, 8), кДж/(кг · К), кДж/(м³ · К); t_т, t_г  температура соответственно твердого (жидкого), газообразного топлива, подаваемого на сжигание, С; L_  действительный расход сухого воздуха на горение, м³/кг и м³/м³;  средняя объемная изобарная теплоемкость сухого воздуха при температуре t_в, поступающего на горение, кДж/(м³ · К).

Величину Н_общ откладывают на оси абсцисс Нt-диаграммы и по ней устанавливают калориметрическую температуру t_кал, как это показано на рис. 1.2.

Если t_кал будет меньше 1600С, то теоретическая температура горения принимается равной калориметрической. Если t_кал будет больше 1600С, то для нахождения теоретической температуры горения следует учесть энтальпии реакций диссоциации СО₂ и Н₂О.

. (1.99)

Тогда

, кДж/кг (кДж/м³), (1.100)

, кДж/кг (кДж/м³), (1.101)

, кДж/кг (кДж/м³), (1.102)

, кДж/кг (кДж/м³), (1.103)

где а и в  коэффициенты степени диссоциации соответственно СО₂ и Н₂О;  объемы СО₂ и Н₂О соответственно в продуктах горения до диссоциации, м³/кг (м³/м³);  энтальпии реакций образования соответственно СО и Н₂, кДж/м³.

Для определения коэффициентов а и b рассчитывают константы равновесия реакций (1.98 и 1.99), значения которых зависят от парциальных давлений газов и температуры:

; (1.104)

. (1.105)

В результате диссоциации СО₂ и Н₂О изменяются состав и объем отдельных составляющих продуктов горения.

Объемы их рассчитываются с использованием следующих формул:

, м³/кг (м³/м³); (1.106)

, м³/кг (м³/м³); (1.107)

, м³/кг (м³/м³); (1.108)

, м³/кг (м³/м³); (1.109)

, м³/кг (м³/м³). (1.110)

Как видно, в составе продуктов горения изменяются объемы СО₂, Н₂О и О₂, неизменным остается объем N₂, появляются новые составляющие продуктов горения СО и Н₂.

Общий объем продуктов горения будет

, м³/кг (м³/м³) (1.111)

При изменившемся составе продуктов горения парциальные давления продуктов горения при общем их давлении p_общ определяются по зависимостям:

, Па; (1.112)

, Па; (1.113)

, Па; (1.114)

, Па. (1.115)

Подставляя значения парциальных давлений составляющих продуктов горения в уравнения константы равновесия (1.103), (1.104) реакций, получим

; (1.115)

. (1.116)

С использованием расчетных значений констант равновесия для реакций диссоциации СО₂ (1.99) и Н₂О (1.100) по формулам (116, 117) находят коэффициенты диссоциации а и b для продуктов горения природного газа при давлении 101,325 кПа в зависимости от температуры и коэффициента избытка воздуха. Графики определения указанных коэффициентов представлены на рис. 1.3.

По ним могут приближенно определяться значения коэффициентов а и b и для продуктов горения не только природного газа, но и других видов топлива. Энтальпии реакций диссоциации СО₂ и Н₂О с образованием СО и Н₂ могут быть приняты из табл. 1.14.

Таблица 1.14

Энтальпии образования СО и Н₂ при диссоциации СО₂ и Н₂О

Энтальпия диссоциации, кДж/м3	Температура, С
	298	1000	1500	2000	2500	3000
ΔhСО	16410 10800	12650 11180	12520 11260	12310 11180	12350 10930	12480 10300

Как видно, аналитический расчет теоретической температуры горения представляет довольно сложную задачу, т. к. коэффициенты диссоциации a и b, объем продуктов горения и теплота диссоциа-



0,11

t, С

Рис. 1.3. Зависимость коэффициентов степени диссоциации СО₂ и Н₂О от температуры при давлении 101,325 кПа

ции зависят от температуры горения, которая является искомой величиной в расчете. Поэтому для упрощения задачи определения теоретической температуры горения пользуются ht-диаграммой для продуктов горения топлива с учетом диссоциации. Рассчитанная по изложенной выше методике ht-диаграмма для продуктов горения природного газа приведена на рис. 1.4.

Пунктирные линии на диаграмме (рис. 1.4) соответствуют калориметрической температуре газов (без учета диссоциации), сплошные  теоретической температуре (с учетом диссоциации) при разных значениях коэффициента расхода воздуха: 1,0; 1,2; 1,5; 2,0 и 3,0. Так как представленная на рис. 1.4 ht-диаграмма относится к продуктам горения природного газа, то для продуктов горения других видов топлива она дает приближенные значения. Для таких топлив, как бурые угли, торф и смешанный коксодоменный газ при Q_н < 8400 кДж/м³, она дает завышенные значения теоретических температур примерно на 50 в интервале 16002000. Сравнительно небольшие завышения теоретических температур (на 1020) диаграмма (рис. 1.4) дает для мазута, генераторного газа, каменных углей, антрацита, кокса и для смешанного коксодоменного газа при значении Q_н < (840012 600) кДж/м³ (кДж/кг). Без особых погрешностей приведенная ht-диаграмма пригодна для всех природных газов, коксового газа и смеси коксодоменного газа при Q_н > 12 600 кДж/м³. При больших значениях коэффициента избытка воздуха сходимость теоретических температур для всех видов топлива, найденных по ht-диаграмме (рис. 1.4), увеличивается.

Рис. 1.4 Диаграмма ht  для определения температур горения топлив

Для того чтобы определить теоретическую температуру горения по ht-диаграмме, надо найти общую энтальпию по формулам (1.97), (1.98) и отнести ее к 1м³ продуктов горения:

, кДж/м³. (1.117)

Для расчета калориметрической и теоретической температуры горения по тепловому балансу процесса горения используют уравнения теплового баланса, в которых в левую часть входят химическая и физическая теплота топлива и энтальпия воздуха, поступающего на горение, в правую – энтальпия образующихся продуктов горения.

Для твердого и жидкого топлива уравнения имеют вид

, (1.118)

, (1.119)

для газообразного топлива

, (1.120)

, (1.121)

где с_т  удельная теплоемкость рабочей массы твердого и жидкого топлива, кДж/(кг · К), которая определяется по формуле

, кДж/(кг · К). (1.122)

 удельная теплоемкость соответственно сухой массы топлива и воды;  средняя объемная изобарная теплоемкость продуктов горения, которая определяется по формуле

, кДж/(м³ · К), (1.123)

где r_i  объемная доля каждой составляющей продуктов горения;  средняя объемная изобарная теплоемкость индивидуальных газов, находящихся в продуктах горения, кДж/(м³ · К).

Калориметрическую и теоретическую температуру находят, решая уравнения (1.1191.121) относительно t_кал и t_теор Поскольку левая часть уравнений представляет собой Н_общ, то

,С, (1.124)

,С, (1.125)

где

Если для горения используют топливо и воздух при температуре окружающей среды, то физическая теплота (энтальпия) топлива и энтальпия воздуха, ввиду небольших их значений, могут не учитываться. В расчетах можно использовать только или .

Поскольку в формулах (1.124), (1.125) неизвестными являются две величины – искомая температура и теплоемкость продуктов горения, которая также зависит от температуры, то поступают следующим образом.

Предварительно принимают ориентировочную температуру горения в пределах 16001900С. Большее значение температуры принимают для топлива с более высокой теплотворной способностью.

Для принятой температуры находят с помощью таблицы теплоемкостей (прил., табл. 6) и подставляют ее в формулы (1.124) и (1.125). Находят и , которые являются приближенными. Затем выбирают два значения температур t₁ и t₂, удовлетворяющие следующим условиям: t₂  t₁ = 100С, t₁ < < t₂. Разность t₂  t₁, можно принять и другую, например 50, 200С, что непринципиально.

С использованием принятых температур t₁ и t₂ рассчитывают энтальпии и продуктов горения:

, кДж/кг (кДж/м³), (1.126)

, кДж/кг (кДж/м³), (1.127)

где  средняя объемная изобарная теплоемкость продуктов горения, кДж/(м³ · К), рассчитанная соответственно при температуре t₁ и t₂.

После этого составляется пропорция

(1.128)

,

которая решается относительно Δt.

, С. (1.129)

Фактическая калориметрическая температура горения будет равна

. (1.130)

Аналогично поступают при расчете теоретической температуры горения. Как было показано выше, если калориметрическая температура будет меньше 1600С, то t_теор = t_кал, если t_кал будет больше 1600С, следует рассчитывать Q_дис. Так как при температурах до 2200С диссоциирует небольшая часть СО₂ и Н₂О, а продукты диссоциации в общем объеме продуктов горения составляют еще меньшую часть, то для упрощения расчета теоретической температуры горения принимают энтальпию продуктов горения постоянной. Это допущение учтено в формуле (1.125), в знаменатель которой подставляются значение V_ и теплоемкость продуктов горения без учета диссоциации.

Действительную температуру горения определяют с учетом потерь теплоты (t_д) за счет теплообмена с окружающей средой.

Для определения t_д находят энтальпию ( ):

, кДж/кг(кДж/м³), (1.131)

где η_п  пирометрический коэффициент процесса горения, учитывающий потери теплоты;  энтальпия продуктов горения при теоретической температуре горения, кДж/кг (кДж/м³).

Пирометрическийкоэффициентустанавливается экспериментально и для топочных устройств принимается равным 0,60,9.

По энтальпии рассчитывают t_д:

C. (1.132)

Расчет t_д с применением формулы (1.132) производится по такой же методике, так же, как расчет калориметрической температуры.

При использовании ht-диаграммы (рис. 1.4) t_д находят по величине (пунктирная линия) или (сплошная линия). По самостоятельно построенной Нt-диаграмме (рис. 1.2) t_д определяют только по

При известных значениях t_кал и t_теор t_д можно вычислить как

С. (1.133)

Примерные значения η_п при сжигании топлива в установках (печах) технологии силикатных материалов могут быть приняты из табл. 1.15.

Таблица 1.15