§ 13. Объем воздуха. Объем и масса продуктов сгорания

Объем воздуха, объем и масса продуктов сгорания определя­ются на 1 кг твердого, жидкого или на 1 м³ сухого газообраз­ного топлива при нормальных условиях.

Объем воздуха, необходимый для сгорания топлива. Теорети­ческий (при коэффициенте избытка воздуха в топке α_т=1) объем сухого воздуха (м³/кг), необходимый для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, определяется по формуле

V⁰=0,089C^p+0,226H^p+0,033(S-O^p). (1.27)

Теоретический объем воздуха (м³/м³), необходимый для пол­ного сгорания 1 м³ сухого газообразного топлива, определяется по формуле

V⁰=0,0478[0,5(CO+H₂)+1,5H₂S+2CH₄+Σ(m+n/4)C_mH_n-O₂]. (1.28)

В формуле (1.27) содержание элементов топлива выражается в процентах на 1 кг массы топлива, а в (1.28) содержание горю­чих газов СО, Н₂, H₂S, СН₄ и т. д. — в процентах по объему.

Для сгорания смеси двух твердых, жидких или газообразных топлив теоретический объем сухого воздуха определяется по формуле

V=b₁V+(1-b₁) V, (1.29)

где b₁ — массовая доля одного из топлив в смеси.

Действительный объем воздуха (м³/кг, м³/м³), поступивший в топку, определяется по формуле

V_д=α_тV⁰, (1.30)

где α_т— коэффициент избытка воздуха в топке.

Состав и объем продуктов сгорания топлива. При полном сгорании топлива продукты сгорания содержат газы: СО₂, SO; N₂, О₂ и пары воды Н₂О, т. е.

CO₂+SO₂+N₂+O₂+H₂O=100%.

Полный объем продуктов сгорания V_г(м³/кг) представляет собой сумму объемов сухих газов V_cг и водяных паров V_HгO:

V_г=V_сг+V_HгO, (0.31)

при этом

V_сг=V_ROг+V_Nг+V_Oг

где V_ROг=V_COг+V_SOг — объем трехатомных газов, м³/кг; V_Nг+V_Oг — объем двухатомных газов, м³/кг.

Для твердых (кроме сланцев) и жидких топлив теоретические объемы (м³/кг) продуктов полного сгорания при α_т=1 определяются по формулам:

объем двухатомных газов

; (1.32)

объем трехатомных газов

V_ROг=0,0187(C^P+0,375S); (1.33)

объем сухих газов

V=V_ROг+=0,0187(C^P+0,375S) (1.34)

объем водяных паров

V=0,0124(9H^p+W^p)+0,0161V⁰; (1.35)

полный объем продуктов сгорания

V=V+V=0,0187(C^P+0,375S)+0,0124(9H^p+W^p)+0,0161V⁰.

(1.36)

Для сланцев объем трехатомных газов определяется по формуле

V=V+[0,509(СО₂)/100] K=0,0187 (C^p+0,375S)+[0,509(CO₂)/l00]К, (1.37)

где K — коэффициент разложения карбонатов: при слоевом сжи­гании К=0,7, при камерном — 1,0.

Для газообразного топлива теоретические объемы продуктов сгорания (м³/м³) при α_т=1 определяются по формулам:

объем двухатомных газов

; (1.38)

объем трехатомных газов

V= 0,01[CO₂+CO+H₂S+ΣmC_mH_n]; (1.39)

объем сухих газов

V=V+V; (1.40)

объем водяных паров

V=0,01[H₂S+H₂+Σ(n/2)С_mН_n+0,124d_г]+0,0161V⁰, (1.41)

где d_г — влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³;

полный объем продуктов сгорания

V=V+V. (1.42)

Для твердых (кроме сланцев), жидких и газообразных топлив объемы продуктов полного сгорания (м³/кг) при α_т >1 определя­ются по формулам:

объем сухих газов

V_сг=V+(α_т-1)V⁰=V+V+(α_т-1)V⁰; (1.43)

объем водяных паров

V=V+0,0161(α_т-1)V⁰; (1.44)

полный объем продуктов сгорания определяется по формуле (1.31).

Для сланцев полный объем продуктов сгорания (м³/кг) при α_т >1:

V_гк=V+V+V=V+V+0,0124(9H^p+W^p)+0,0161α_тV⁰. (1.45)

Содержание (%) СО₂, SO₂ и RO₂ в сухих газах при полном сгорании топлива определяется по формулам:

CO₂=(V/V_cг)100; (1.46)

SО₂=( V/V_cг)100; (1.47)

RО₂=(V/V_cг)100. (1.48)

Максимальное содержание (%) трехатомных газов ROв сухих газах при полном сгорании топлива

RO=21/(l+β), (1.49)

где β — характеристика топлива:

для твердого и жидкого

β =2,35(H^p-0,126O^p+0,04N^p)/(C^p+0,375S); (1.50)

для газообразного

(1.51)

Содержание (%) азота N₂ и кислорода О₂ в сухих газах при полном сгорании топлива

N₂=100-RO₂-O₂; (1.52)

O₂=21-βRO₂-RO₂. (1.53)

Масса продуктов сгорания:

для твердого (кроме сланцев) и жидкого топлива (кг/кг)

М_г=1-0,01А^р+1,306α_тV⁰; (l.54)

для газообразного топлива (кг/м³)

Мг=+0,001d_гт+1,306α_тV⁰, (1.55)

где — плотность сухого газа, кг/м³; d_гт — содержание влаги в топливе, кг/м³;

для сланцев (кг/кг)

M_гк=1-0,01А+1,306α_тV⁰+0,01(СО₂)К, (1.56)

где А — расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов, %; К — коэффициент разложения кар­бонатов: при слоевом сжигании К=0,7, при камерном — 1,0.

Расчетное содержание (%) золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов

А=А^р+(1-К)(СО₂). (1.57)

Для твердых топлив концентрация золы в продуктах сгорания определяется по формуле

μ_зл=А^ра_ун/(100М_г), (1.58)

где а_ун — доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания.

Коэффициент избытка воздуха в топке. При полном сгорании топлива коэффициент избытка воздуха в топке определяется по формуле

, (1.59)

где О₂ и N₂ — содержание кислорода и азота в газах, %.

Задача 1.27. Определить объем продуктов полного сгорания на выходе из топки, а также теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сгорания 1 м³ природного газа Ставропольского месторождения состава: СО₂=0,2%; СН₄=98,2%; С₂Н₆=0,4%; С₃Н₈=0,1%; С₄Н₁₀=0,1%; N₂=l,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,2.

Решение: Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м³ топлива, определяем по формуле (1.28)

V⁰=0,0478[0,5CO+0,5H₂+1,5H₂S+2CH₄+Σ(m+n/4)C_mH_n-O₂]= =0,0478(2·98,2+3,5·0,4+5·0,1+6,5·0,1)=9,51 м³/м³.

Действительный объем воздуха по формуле (1.30)

V_д=α_тV⁰=1,2·9,51=11,41м³/м³.

Объем сухих газов при α_т=1,2, по формуле (1.43),

V_сг=V+(α_т-1)V⁰=V+V+(α_т-1)V⁰= =0,01(0,2+98,2+2·0,4+3·0,1+4·0,1)+0,79·9,51+1,0/100+(1,2-1)9,51=10,42 м³/м³.

Объем водяных паров при α_т=1,2, по формуле (1.44),

V=0,01(H₂S+H₂+2CH₄+3C₂H₆+4C₃H₈+5С₄Н₁₀+0,124d_г)+0,0161α_тV⁰= =0,01(2·98,2+3·0,4+4·0,1+5·0,1)+0,0161·1,2·9,51=2,17 м³/м³.

Объем продуктов полного сгорания, по формуле (1.31),

V_г=V_сг+V=10,42+2,17=12,59 м³/м³.

Задача 1.28. Определить на выходе из топки объем продуктов полного сгорания 1 кг карагандинского угля марки К ее става: С^р=54,7%; Н^р=3,3%; S=0,8%; N^p=0,8%; O^p=4,8%, А^р=27,6%; W^p=8,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Решение: Теоретический объем воздуха, необходимый дл полного сгорания 1 кг топлива, определяем по формуле (1.27):

V₀=0,089C^p+0,266Н^р+0,033(S-О^р)=0,089·54,7+0,266·3,3+0,033(0,8-4,8)=5,61 м³/кг.

Объем сухих газов при α_т=1,3, по формуле (1.43),

V_сг=V+V+(α_т-1)V⁰=0,0187(C^p+0,375S)+0,79V⁰+0,8N^p/100+(α_т-l)V⁰= =0,0187(54,7+0,375·0,8)+0,79·5,61+0,8·0,8/100+(1,3-1)·5,61=7,15 м³/кг.

Объем водяных паров при α_т=1,3, по формуле (1.44),

V=V+0,0161(α_т-1)V⁰=0,0124(9H^p+W^р)+0,0161α_тV⁰= =0,0124(9·3,3+8)+0,0161·1,3·5,61=0,58 м³/кг.

Объем продуктов полного сгорания, по формуле (1.31),

V_г=V_cг+V=7,15+0,58=7,73 м³/кг.

Задача 1.29. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для слоевого сжигания 1000 кг донецкого угля марки Г состава: С^р=55,2%; Н^р=3,8%; S=3,2%; N^р=1,0%; О^р=5,8%; А^р=23,0%; W^p=8,0%. Коэффициент избыт­ка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: V₀ = 5830 м³; V_д=7579 м³.

Задача 1.30. Определить объем воздуха, необходимый для сжигания 800 кг/ч ленгерского угля марки БЗ состава: С^р=45,0%; Н^р=2,6%; S=l,7%; N^p=0,4%; О^р=9,9%; A^р=11,4%; W^p=29,0%, и 500 кг/ч экибастузского угля марки СС состава: С^р=43,4%; Н^р=2,9%; S=0,8%; N^p=0,8%; O^p=7,0%; A^р=38,1%; W^p=7,0%, при коэффициентах избытка воздуха в то­почной камере соответственно α_т=1,4 и 1,3.

Ответ: V_д=7823 м³/ч.

Задача 1.31. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сжигания 2000 м³/ч природ­ного газа Ставропольского месторождения состава: СО₂=0,5%; СН₄=92,8%; С₂Н₆=2,8%; С₃Н₈=0,9%; С₄Н₁₀=0,4%; С₅Н₁₂=0,1%; N₂=2,5%; и 1000 м³/ч природного газа Ленин­градского месторождения состава: CO₂=0,1%; СН₄=89,7%; С₂Н₆=5,2%; С₃Н₈=1,7%; С₄Н₁₀=0,5%; С₅Н₁₂=0,1%; N₂=2,7%, при коэффициентах избытка воздуха в топочной камере соответ­ственно α_т=1,15 и 1,1.

Ответ: V₀=29360 м³/ч; V_д=33264 м³/ч.

Задача 1.32. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для слоевого сжигания 2000 кг кузнецкого угля марки Д, если известен состав его горючей массы: C^г=78,5%; Н^г=5,6%; S= 0,4%; N^г=2,5%; O^г=13,0%, зольность сухой массы А^с=15,0% и влажность рабочая W^p=12,0%. Коэффициент избытка воздуха в топочной камере α_т=1,3.

Ответ: V₀= 12 040 м³; V_д =15 652 м³.

Задача 1.33. Определить теоретический объем воздуха, необ­ходимый для слоевого сжигания 1500 кг ленинградских сланцев, если известен состав их горючей массы: С^г=74,0%; Н^г=9,5%; S=6,l%; N^г=0,4%; О^г=10,0%; А^р=46,0%; W^p=11,5% и(СО₂)=16,4%.

Ответ: V₀=3765 м³.

Задача 1.34. В топке котла сжигается смесь, состоящая из 2·10³ кг кузнецкого угля марки Д состава: C=58,7%; Н=4,2%; (S)₁=0,3%; N=l,9%; O=9,7%; A=13;2%; W=12,0%, и 3·10³ кг кузнецкого угля марки Г состава: С=66Д%; Н=4,7%; (S)₂=0,5%; N=1,8%; O=7,5%; А=11,0%; W=8,5%. Определить теоретический объем сухого воздуха, необходимый для сгорания смеси.

Ответ: V=32700 м³.

Задача 1.35. В топке котла сжигается воркутинский уголь марки Ж состава: С^p=59,6%; Н^р=3,8%; S=0,8%; N^p=l,3%; О^р=5,4%; A^р=23,6%; W^p=5,5%. Определить объем сухих газов при полном сгорании топлива. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: V_сг=7,84 м³/кг.

Задача 1.36. Определить объем водяных паров при полном сгорании в слое 10 кг/ч фрезерного торфа состава: С^р=24,7% Н^р=2,б%; S=0,l%; N^p=l,l%; О^р=15,2%; А^р=6,3%; W^р=50,0% при коэффициентах избытка воздуха в топке α_т=1,3 и 1,4.

Ответ: V=963 м³/ч; V=965 м³/ч.

Задача 1.37. В топке котла сжигается 600 м³ природного газа Угерского месторождения состава: СО₂=0,2%; СН₄=98,5%; С₂Н₆=0,2%; С₃Н₈=0,1%; N₂=l,0%. Определить объем продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: V_г=7210 м³.

Задача 1.38. Определить объем сухих газов, получаемых при полном сгорании в слое 800 кг кузнецкого угля марки Д, если известен состав его горючей массы: C^г=78,5%; Н^г=5,6%; S=0,4%; N^г=2,5%; О^г=13,0%; зольность сухой массы А^г=15,0% и влажность рабочая W^p=12,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: V_cг=6141 м³.

Задача 1.39. Определить объем двух- и трехатомных газов и содержание СО₂ и SO₂ в сухих газах, получаемых при полном сгорании 1 кг донецкого угля марки Т состава: С^р=62,7%; Н^р=3,1%; S=2,8%; N^p=0,9%; О^р=1,7%; А^р=23,8%; W^p=5,0% если известно, что дымовые газы при полном сгорании содержат RO=18,8%.

Решение: Объем трехатомных газов определяем по форму (1.33):

V=V+V=0,0187(С^p+0,375S)=0,0187(62,7+ 0,375·2,8)=1,19 м³/кг.

Объем сухих газов находим по формуле (1.48):

= 6,33 м³/кг.

Объем двухатомных газов V=V_cг-V= 6,33-1,19=5,14 м³/кг.

Содержание СО2 в сухих газах определяем по формуле (1.46):

CO₂=(V/V_cг)100=(0,0187С^р/V_cг)100=(0,0187·62,7/6,33)100=18,5%.

Содержание SO₂ в сухих газах находим по формуле (1.47):

SO₂==(V/V_cг)100=(0,0187·0.375S/V_cг)100=(0,0187·0.375·2,8/6,33)100=0,31%.

Задача 1.40. Определить объем трехатомных газов и содер­жание в них СО₂ и SO₂, получаемых при полном сгорании 1 кг ткибульского угля марки Г состава: С^р=45,4%; Н^р=3,5%; S=1,3%; N^p=0,9%; О^p=8,9%; A^р=27,0%; W^p=13,0%, если из­вестно, что дымовые газы содержат RO=18,7%.

Ответ: V=0,86 м³/кг; СО₂=18,5%; SO₂=0,2%.

Задача 1.41. Определить объем сухих дымовых газов, получа­емых при сжигании 1000 кг фрезерного торфа состава: С^р=24,7%; Н^р=2,6%; S=0,1%; N^p=l,l%; O^p=15,2%; A^р=6,3%; W^p=50,0%, если известно, что дымовые газы при полном сгорании топлива содержат RO₂=15,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т= 1,3.

Ответ: V_cг=3066 м³.

Задача 1.42. В топке котла сжигается 5·10³ кг/ч донецкого угля марки Г состава: С^р=0,2%; Н^р=3,8%; S=3,2%; N^p=l,0%; О^р=5,8%; А^р=23,0%; W^p=8,0%. Определить, на сколько был увеличен объем подаваемого в топку воздуха, если известно, что при полном сгорании топлива содержание RO₂ в дымовых газах снизилось с 16 до 14%.

Ответ: V_в=5949 м³/ч.

Задача 1.43. В топке котла сжигается 2·10³ кг/ч малосерни­стого мазута состава: С^р=84,65%; Н^р=11,7%; S=0,3%; О^р=0,3%; А^р=0,05%; W^p=3,0%. Определить, на сколько был увеличен объем подаваемого в топку воздуха, если известно, что при полном сгорании топлива содержание RO₂ в дымовых газах снизилось с 15 до 12%.

Ответ: V_в= 6666 м³/ч.

Задача 1.44. В топке котла во время испытаний сожжено 3·10³ кг/ч кузнецкого угля марки Д состава: С^p=58,7%; Н^р=4,2%; S=0,3%; N^p=l,9%; О^р=9,7%; A^р=13,2%; W^p=12,0%. В течение первой половины испытаний в продуктах полного сгорания топлива получено RO₂=18%, а в течение вто­рой половины испытаний RO₂ уменьшилось до 15%. Определить, какой объем воздуха добавлен в топку между первой и второй половинами испытаний.

Ответ: V_в= 4650 м³/ч.

Задача 1.45. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг ленинградских сланцев состава С^р=20,6%; Н^р=2;7%; S=l,7%; N^p=0,l%; O^p=2,8%; А^р=46,0%; W^p=11,5%; (СО₂)=16,4%. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: V_г =2,96 м³/кг.

Задача 1.46. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 2·10³ кг/ч карагандинского угля марки К состава: С^р=54,7%; Н^р=3,3%; S=0,8%; N^p=0,8%; О^р=4,8%; А^р=27,6%; W^p=8,0%, если известно, что дымовые газы содержат RO₂=18%.

Ответ: V_г=12560 м³/ч.

Задача 1.47. Определить максимальное содержание трехатомных газов в продуктах полного сгорания 1 кг донецкого угля марки А состава: С^р=63,8%; Н^р=1,2%; S=l,7%; N^p=0,6%; О^р=1,3%; А^р=22,9%; W^p= 8,5%.

Ответ: RO=20,2%.

Задача 1.48. В топке котла сжигается смесь из 2·10³ кг, донецкого угля марки Д состава: С=49,3%; H=3,б%; (S)₁=3,0%; N=l,0%; О=8,3%; A=21,8%; W=13,0% и 3·10³ кг/ч донецкого угля марки Г состава: С=55,2%; Н=3,8%; (S)₂=3,2%; N=1,0%; O=5,8%; A=23%; W=8%. Определить объем газов, получаемых при полно сгорании смеси, если коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: V_г=37 480 м³/ч.

Задача 1.49. Определить объем газов, получаемых при полном сгорании 1000 м³/ч природного газа Радченковского мест рождения состава: СО₂=0,1%; СН₄=85,8%; С₂H₆=0,2%; С₃Н₈=0,1%; С₄Н₁₀=0,1%; N₂=13,7%. Коэффициент избытка воздуха в топочной камере α_т=1,1.

Ответ: V_г=10 230 м³/ч.

Задача 1.50. В топке котла сжигается 1 кг артемовско угля марки БЗ состава: С^р=35,7%; Н^р=2,9%; S=0,3%; N^р=0,7%; О^р=12,1%; А^р=24,3%; W^p=24,0%. Определить объем продуктов сгорания и содержание в них кислорода О₂, если RO₂=18%.

Ответ: V_г=4,16 м³/кг; О₂=1,3%.

Задача 1.51. В топке котла сжигается 1 кг анадырского угля марки БЗ состава: С^р=50,1%; Н^р=4,0%; S=0,1 N^p=0,7%; О^р=12,2%; А^р=11,9%; W^p=21,0%. Определить коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если RO₂ = 16%.

Ответ: α_т=1,2.

Задача 1.52. В топке котла сжигается донецкий уголь марки Т состава: С^р=62,7%; Н^р=3,1%; S=2,8%; N^p=0,9%; O^p= l,7%; А^р=23,8%; W^p=5,0%. Определить содержание азота N₂ в проду­ктах сгорания и коэффициент избытка воздуха при полном сгора­нии топлива, если RO₂=15,0%.

Ответ: V=5,09 м³/кг; α_т=1,26.

Задача 1.53. Определить объем сухих газов и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании природного газа Сара­товского месторождения состава: СО₂=1,2%; СН₄=91,9%; С₂Н₆=2,1%; С₃Н₈=1,3%; С₄Н₁₀=0,4%; С₅Н₁₂=0,1%; N₂=3,0%, если известно, что продукты сгорания содержат RO₂=16,0% и О₂=4,0%.

Ответ: V_сг=6,44 м³/м³; α_т=1,23.

Задача 1.54. В топке котла сжигается 1 кг райчихинского уг­ля марки Б1 состава: С^р=30,4%; Н^р=1,7%; S=0,3%; N^p=0,5%; О^р=12,2%; A^р=7,9%; W^p=47,0%. Определить содержание кисло­рода О₂ в продуктах сгорания и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если RO₂=16,0%.

Ответ: О₂=4,8 %; α_т=1,3.

Задача 1.55. Определить массу продуктов сгорания и концен­трацию золы в продуктах сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг ленинградских сланцев состава: С^р=20,6%; H^p=2,7%; S=1,7%; N^p=0,l%; О^р=2,8%; A^р=46,0%; W^p=11,5%; (СО₂)=16,4%, если, известно, что доля золы топ­лива, уносимой продуктами сгорания, а_ун=0,95. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Решение: Расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов определяем по формуле (1.57):

А=А^р+(1-К)(СО₂)=46,0+(1-0,1)16,4=50,9%.

Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сго­рания 1 кг топлива, находим по формуле (1.27):

V⁰=0,089С^р+0,266Н^р+0,033(S-О^р)=0,089·20,6+0,266·2,7+0,033(1,7-2,8)=2,52 м³/кг.

Масса продуктов сгорания, по формуле (1.56),

M_гк=1-0,01A+1,306α_тV⁰+0,01(СО₂)K=1-0,01·50,9+1,306·1,3·2,52+0,01·16,4·0,7= =4,9 кг/кг.

Концентрация золы в продуктах сгорания, по формуле (1.58),

μ_зл=А^ра_ун/(М_гк)=(46·0,95)/(4,9·100)=0,0892.

Задача 1.56. Определить массу продуктов сгорания и концентрацию золы в продуктах сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг карагандинского угля марки К состава: С^р=54,7%; Н^р=3,3%; S=0,8%; N^p=0,8%; О^р=4,8%; А^р=27,6%; W^p=8,0%, если известно, что доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания, а_ун=0,85. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,3.

Ответ: М_г=9,25 кг/кг; μ_зл=0,0253.

Задача 1.57. Определить массу продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 1 м³ природного газа Ставропольского месторождения состава: СО₂=0,2%; СН₄=98,2%; С₂Н₆=0,4%; С₃Н₈=0,1%; С₄Н₁₀=0,1%; N₂=l,0%, если известно, что плотность сухого газа ρ=0,728 кг/м³. Коэффициент избытка воздуха в топке α_т=1,15.

Ответ: М_г=15 кг/м³.