2.3. Характеристика процесса горения топлива

Горение есть процесс быстрого химического соединения горючих элементов топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. Процесс горения - это сочетание физических (перемешивания топлива с окислителем, подогрев, испарение) и химических процессов (окисления топлива). Для определения количества теплоты, которое выделяется в процессе горения топлива, нужно знать какие химические реакции протекают при этом, а также количество теплоты, получаемое в каждой реакции. Такие расчеты выполняются на основе закона постоянства сумм теплоты, открытого в 1840 г. русским химиком Г.И. Гессом. Согласно этому закону для определения количества теплоты в результате сгорания топлива достаточно знать начальное состояние системы (состав топлива и окислителя) и ее конечное состояние (состав продуктов сгорания).

Рассмотрим расчетные реакции горения горючих элементов топлива для полного горения:

С + О₂ = СО₂ + 34 МДж/кг. (2.15)

12 + 32 = 44 [кг] или 1 + 2,67 = 3,67 [кг].

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 143 МДж/кг. (2.16)

4 + 32 = 36 [кг] или 1 + 8 = 9 [кг].

S + O₂ = SO₂ + 9,15 МДж/кг. (2.17)

32 + 32 = 64 [кг] или 1 + 1 = 2 [кг].

В соответствии с этими соотношениями можно определить массу кислорода Lо₂,кг, необходимую для полного сгорания топлива:

L = (2,67С^Р + 8Н^Р + 1S^Р - 1O^Р)/100, кг/кг. (2.18)

Сухой воздух состоит из азота и кислорода в следующих соотношениях: по массе O₂ = 23,2%, N₂ = 76,8%, по объему O₂ = 21%, N₂ = 79%. Тогда для горения 1 кг топлива необходима масса воздуха:

L = (2,67С^Р + 8Н^Р + 1S^Р - 1O^Р)/23,2, кг/кг, (2.19)

или L = 0,115С^Р+0,345Н^Р+0,0431(S^Р-O^Р), кг/кг. (2.20)

Зная плотность сухого воздуха при нормальных условиях g=1,293 кг/м³ можно определить его объем, необходимый для сжигания:

• 1 кг твердого или жидкого топлива

V = L /1,293=0,089С^Р+0,266Н^Р+0,033(S^Р-O^Р), м³/кг, (2.21)

• 1 м³ газообразного топлива

V =0,0476(0,5СО+0,5Н₂+1,5Н₂S+2СН₄+3С₂Н₄+

+3,5С₂Н₆+5C₃H₈+6,5C₄H₁₀, м³/м³ сухого газа. (2.22)

Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество влаги, которое необходимо учитывать при расчетах. Объем водяных паров в воздухе, теоретически необходимом для полного сгорания 1 кг(м³) топлива, составляет

V = 0,0016V d, (2.23)

где d - влагосодержание воздуха, кг/кг сухого воздуха.

С учетом этого теоретическое количество воздуха при нормальных условиях

V_O = V (1 + 0,0016d), м³/кг. (2.24)

Эксплуатационные условия при сжигании всех видов топлива не позволяют достичь однородной смеси топлива и воздуха, что приводит к химическому недожогу топлива и снижению эффективности работы топливо использующих установок. Поэтому в топку обычно подается воздуха больше, чем теоретически необходимо. Отношение действительно поступающего в топку количества воздуха (V_д) к теоретическому объему (V₀) называют коэффициентом избытка воздуха. Он равен:

 = V_д/V_o. (2.25)

Коэффициент избытка воздуха зависит от вида топлива, способа его сжигания, конструкции топочного устройства и является важной характеристикой работы топливо использующих установок. Так, при сжигании природного газа _г = 1,03-1,05, мазута _м = 1,1-1,2, угля _у = 1,2-1,4.