3. Определение количества воздуха, необходимого для горения, состава и объема дымовых газов и их энтальпии

Элементарный состав твердого топлива на рабочую массу задается следующим уравнением:

C^r + H^r + О^r + N^r +S^r + A^r+ W^r = 100 %

Где S^r, H^r, О^r C^r, N^r - содержание химических элементов (сера, водород, кислород, углерод, азот), % содержание по массе; А^r - содержание минеральной части в топливе, % по массе; W^r - содержание влаги, % по массе.

В топке котла идет окисление атмосферы кислородом горючих компонентов. Стехиометрические уравнения можно представить так:

С + О₂ = СО₂;

S + О₂=SО₂;

4Н + О₂ = 2Н₂О.

Эти уравнения показывают, что при завершенном процессе горения уходящие газы содержат СО₂; SО₂; H₂О. В них, кроме того, есть атмосферный и топливный азот, а так как горение приходится вести с некоторым избытком воздуха, то и кислород.

Необходимый объем воздуха, а также состав дымовых газов вычисляют при нормальных условиях для 1 кг топлива по балансовым уравнениям реакций.

Теоретический объем воздуха (м /кг) определяют по формуле:

V°_B=0,0889*(C^r + 0,375S^r)+0,265H^r-0,033*O^r

V°_B =0,0899*(47,5+0,375*0,5)+0,265*3,4-0,033*9,3=4,881м³/кг

Объем диоксида углерода:

V_СО2 =0,0187*C^r V_СО2=0,0187*47,5=0,88825 м³/кг

Объем диоксида серы:

V_SO2= 0,0069*S^r

V_SO2 = 0,0069*0, 5= 0,00345 м³/кг

Теоретический объем азота (м³/кг) в продуктах сгорания при теоретическом объеме воздуха находят по формуле:

Объем диоксида углерода:

V°_N2 = 0,79*V°_B+0,008*N^r

V°_N2 =0,79*4,881 +0,008*0,9=3,8632м³/кг

Водяные пары в дымовых газах образуются в результате сгорания водорода топлива и испарения влаги , а так же вносятся поступающим воздухом. Теоретический объем водяных паров рассчитывают по формуле:

V^о_H2O=0,111*H^r+0,0124*W^r+0,0161*V°_B

V^о_H2O =0,111*3,4+0,0124*23+0,0161*4,881 =0,7412 м³/кг

Принято обозначать сумму объемов диоксидов серы и углерода (сухих трехатомных газов) как V^о_RO2

V^о_RO2= V_SO2+ V_СО2

V^о_RO2=0,00345 +0,88825 =0,8917 м³/кг

Теоретический объем дымовых газов определяют по формуле:

V^о_R= V^о_RO2+ V^о_H2O + V^о_N2

V^о_R =0,8917 +0,7412 +3,8632 =5,4961 м³/кг

В условиях существующих конструкций топок для горения требуется избыточный по сравнению с теоретически необходимым объемом воздуха, устанавливаемый по формуле:

V⁰ _в ⁼ α* V _в , где α - коэффициент избытка воздуха.

Избыточный воздух в процессе горения не участвует, но увеличивает количество дымовых газов.

Так как газоходы котла находятся под разряжением, создаваемым дымососом и дымовой трубой, то в них попадает воздух. Величину присоса воздуха нормируют в долях а. Для слоевой топки, труб кипятильного пучка, экономайзера ∆α= 0,1. Для стальных газоходов за котельным агрегатом на каждые 10м ∆α = 0,1; для кирпичных на каждые 10м ∆α = 0,05. По этим нормам можно вычислить коэффициент избытка воздуха после элемента газового тракта, а также его среднее значение:

α"= α'+∆α

α"=1,3 + 0,1=1,4

αср= (α' + α")/2

Для топки: αср ⁼ 1,35

Для кипятильной трубы: αср⁼ 1,45

Для экономайзера: αср ⁼ 1,55

где, α', α ", αср - соответственно коэффициенты избытка воздуха перед элементом, после элемента и его среднее значение.

Избыточный объем воздуха, попавшего в газоход, можно определить таким образом:

∆Vв=( αср -1)* V^ов

Для топки: ∆Vв = (1,35-1)* 4,881=1,7084 м³/кг

Для кипятильной трубы: ∆Vв = (1,45-1)* 4,881=2,1965 м³/кг

Для экономайзера: ∆Vв = (1,55-1)* 4,881=2,6846 м³/кг

Избыточный объем водяных паров (м³/кг) находят по формуле:

∆ V_H2O = 0,0161 *∆ V_B

Для топки: ∆ V_H2O = 0,0161*1,7084 = 0,0275 м³/кг

Для кипятильной трубы: ∆ V_H2O = 0,0161*2,1965 = 0,0354 м³/кг Для экономайзера: ∆ V_H2O = 0,0161*2,6846 = 0,0432 м³/кг

Действительные объемы продуктов сгорания и водяных паров определяются по формулам:

V_R = V^о_R +∆Vв +∆ V_H2O

Для топки: V_R =5,4961 +1,7084 +0,0275=7,232 м³/кг

Для кипятильной трубы: V_R =5,4961+2,1965 +0,0354 =7,728 м³/кг

Для экономайзера: V_R =5,4961+2,6846 +0,0432 =8,2239 м³/кг

V_H2O ⁼ V^о_H2O + ∆V_H2O

Для топки:

Для кипятильной трубы:

Для экономайзера:

V_H2O=0,7412+0,0275=0,7687 м³/кг V_H2O=0,7412+0,0354=0,7766 м³/кг V_H2O =0,7412 +0,0432=0,7844 м³/кг

При тепловом расчете котельного агрегата необходимо знать объемные доли трехатомных сухих газов r_RO2и водяных паров r_H2O, которые определяют так:

r_RO2 = (V_SO2+V_CO2)/ V_R

Для топки:

r_RO2= (0,00345+0,88825)/ 7,232 =0,1233 м³/кг

Для кипятильной трубы: r_RO2= (0,00345 +0,88825)/ 7,728 =0,1154 м³/кг

Для экономайзера:

r_RO2= (0,00345+0,88825)/ 8,2239 =0,1084 м³/кг

r_H2O = V_H2O/ V_R

Для топки:

Для кипятильной трубы: Для экономайзера:

r_H2O =0,7687 /7,232 =0,1063 м³/кг r_H2O =0,7766 /7,728 =0,1005 м³/кг r_H2O =0,7844 /8,2239 =0,0954 м³/кг

Суммарную объемную долю трехатомных газов находят по формуле:

r_n=r_RO2+r_H2O

Для топки:

r_n =0,1233 +0,1063 =0,2296 м³/кг

Для кипятильной трубы: r_n =0,1154 +0,1005 =0,2159 м³/кг

Для экономайзера:

r_n =0,1084 +0,0954 =0,2038 м³/кг

При сжигании твердого топлива важно знать концентрацию летучей золы (г³/м) в дымовых газах, которую можно установить с помощью выражения:

μ=(10*A^r*a_YH)/V_R, где a_YH - доля минеральной части топлива, уносимой газами (при слоевом сжигании 0,2)

Для топки: μ=(10*15,4*0,2)/ 7,232 = 4,2588 г³/м

Для кипятильной трубы: μ =(10*15,4*0,2)/ 7,728 = 3,9855 г³/м

Для экономайзера:

μ =(10*15,4*0,2)/ 8,2239 = 3,7452 г³/м

Полученные результаты записываем в таблицу 1.

Таблица 1- Состав продуктов сгорания

.

Рассчитываемая величина	Обозна­чение	Элементы газового тракта
		Топка	кипятильные трубы	экономайзер
Коэффициент избытка воздуха в конце топки	α'	1,3	—	—
Подсос	∆α	0,1	0,1	0,1
Коэффициент избытка воздуха за элементом тракта	Α "	1,4	1,5	1,6
Средний коэффициент избытка	ΑСР	1,35	1,45	1,55
Избыточный объем воздуха	∆VB	1,7084	2,1965	2,6846
Избыточный объем водяных паров	∆VH2O	0,0275	0,0354	0,0432
Действительный объем продуктов сгорания	VR	7,232	7,728	8,2239
Действительный объем водяных паров	VH2O	0,7687	0,7766	0,7844
Объемная доля сухих трехатомных газов	rRO2	0,1233	0,1154	0,1084
Объемная доля водяных паров	rH2O	0,1063	0,1005	0,0954
Общая объемная доля трехатомных газов	rn	0,2296	0,2159	0,2038
Концентрация летучей золы	μ	4,2588	3,9855	3,7452

Энтальпию воздуха, газообразных продуктов сгорания, золы относят к 1кг сжигаемого топлива (кДж/кг) и находят по формулам:

H°_B =V° _B *(C*Q) _B

H_RO2= V_RO2*(C*Q) _RO2

H°_N2=V°_N2*(C*Q) _N2

H°_H2O= V° _H2O *(C*Q) _H2O

Н _ЗЛ=a _yh*А^г*(С*Q) _ЗЛ /100;

где (С*Q) - произведение теплоемкости на температуру (определяем по таблице 2 из методички).

Энтальпию теоретического количества продуктов сгорания рассчитывают по формуле:

Н°_r =H_RO2+ H°_N2+ H°_H2O + Н _ЗЛ

Энтальпию действительного количества продуктов сгорания рассчитывают по формуле: Н_r= Н°_r + (α " -1) * H°_B

Энтальпия золы мала по сравнению с энтальпией дымовых газов. По этой причине в технологических расчетах ее учитывают только в тех случаях, когда:

1000* a _yh *A^r/Q^r_H>25

1000*0,2*15,4/18040 >25

0,1707317 <25

где Q^r_H - низшая теплота сгорания на рабочую массу, кДж/кг.

В каждом элементе газового тракта свои значения коэффициента избытка воздуха и температуры, а следовательно, энтальпии газов. Значения энтальпии продуктов сгорания подсчитывают и сводят в таблицу 2.

	Наименование			Формула		Объе м, м3/кг		Температура продуктов сгорания
	рассчитываемой величины							100		200		300		400		500		800		006		1000		1100		1400		1500		1600		1700		1800		1900
	Энтальпия теоретического количества воздуха, необходимого для горения			H°B =(С*Q) B* V°B		4,881		646,2		1300,3		1967,04		265,99		3341,53		5521,88		6257,93		7014,49		7791,54		10143,69		10941,73		11739,29		12536,85		13334,4		14152,46
	Энтальпия сухих трехатомных газов			HRO2= V°RO2*(C*Q) RO2		0,8917		151,68		319,05		498,73		688,93		889,2		1520,61		1741,04		1965,22		2193,14		2891,87		3127,19		3362,6		3601,75		3840,82		4079,97
	Энтальпия теоретического количества двухатомных газов			H°N2=V°N2*(C*Q) N2		3,8632		501,44		1004,82		1514,76		2036,29		2567,1		4224,41		4807,37		5389,94		5972,89		7769,67		8368,46		8983,49		9598,89		10213,91		10845,16
	Энтальпия теоретического количества водяных паров			H°H2O= V° H2O *(C*Q) H2O		0,7412		111,77		225,77		343,1		464,58		590,14		990,69		1130,4		12798,46		1428,59		1897,55		2065		2226,71		2394,45		2565,22		2736,07
Таблица 2 – Энтальпия продуктов сгорания для различных значений температуры	Энтальпия золы			Н ЗЛ=a yh*Аг*(С*Q) ЗЛ /100				2,49		5,21		8,13		11,09		14,13		23,64		26,97		30,33		33,81		48,78		54,2		57,81		63,62		67,35		73,56
	Энтальпия теоретического количества продуктов сгорания			Н°r =HRO2+ H°N2+ H°H2O + Н ЗЛ				767,38		1554,85		2364,72		3200,89		4060,57		6759,35		7705,78		8665,34		9628,43		12607,87		13614,85		14630,61		15658,71		16687,3		17734,76
	Энтальпия действитель ного количества продуктов сгорания за элементами газового тракта	За топкой	Н°r +(α т" -1) * H°B														8692,01		9896,08		11120,41		12355,47		16158,16		17444,46		18739,36		20046,61		21354,34		22688,12
		За конвективным пучком	Н°r +(α к" -1) * H°B						2140		3249,89
		За экономайзером	Н°r +(α э" -1) * H°B				1122,79		2270,02