Количество воздуха, необходимого для горения. Теплота “сгорания” воздуха

Каким бы сложным ни был состав углеводородного топлива, при его пол­ном сгорании углерод окисляется до СO₂, водород — до Н₂O, сера — до SO₂. Формально полное окисление серы соответ­ствует образованию SO₃, однако при то­почных температурах SO₃ практически не образуется. Окислителем обычно слу­жит воздух. Количество его должно быть, естественно, достаточным для пол­ного сгорания всех горючих элементов. Балансовые уравнения, показываю­щие исходные и конечные состояния участвующих в реакциях компонентов, называются стехиометрическим и.

В соответствии со стехиометрическим уравнением реакции горения водорода

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О

на 2 кг, т. е. на 1 кмоль водорода, необхо­димо затратить 16 кг (0,5 кмоль) кисло­рода, при этом образуется 18 кг водяного пара. Аналогично из реакций

C + O₂ = CO₂

S + O₂ = SO₂

следует, что на 12 кг углерода и 32 кг серы нужно затратить по 32 кг кислоро­да, при этом получается соответственно 44 кг CO₂ и 64 кг SO₂. Следовательно, для полного сгорания 1 кг углерода тео­ретически требуется затратить 2,67 кг кислорода, а 1 кг серы и водорода со­ответственно 1 и 8 кг кислорода. Часть необходимого кислорода, равная 0,01 О^r кг/кг, содержится в топливе, остальное в количестве нужно податьс воздухом. Плотность кислорода в нор­мальных условиях равна 1,43 кг/м³ (мо­лекулярная масса, деленная на объем 1 киломоля, т.е. 32/22,4), содержание кислорода в сухом воздухе составляет по объему 0,21. Следовательно, объем воз­духа (приведенный к нормальным усло­виям), теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг топлива, равен, в м³/кг,

V° =

Выше указывалось, что теплоту, вы­деляющуюся в реакции горения, принято относить к единице массы топлива, на­зывая теплотой его сгорания. Поскольку в реакции в равной мере участвуют и го­рючие элементы (топливо), и кислород (воздух), эту теплоту можно отнести и к единице массы воздуха. Расчеты по­казывают, что отнесенная к единице пол­ностью прореагировавшего воздуха теп­лота сгорания различных топлив не­сколько различается, однако в среднем ее можно принять равной 3,8 МДж на 1 м (в нормальных условиях) действи­тельно прореагировавшего воздуха. Эта цифра удобна для приближенных расче­тов, обеспечивающих точность в преде­лах 10—15 %. Поэтому для оценочных расчетов можно принять V°=/3,8.

Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку при­ходится подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение ко­личества воздуха V_B, действительно по­данного в топку, к теоретически необхо­димому называется коэффициен­том избытка воздуха:

При нормальной организации топоч­ного процесса , причем чем совер­шеннее топка и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится по­давать «лишнего» воздуха. В лучших то­почных устройствах , в плохих — до 1,3…1,5.

Объемы и состав продуктов сгорания

При проектировании теплотехниче­ских агрегатов нужно знать количество образующихся газов, чтобы правильно рассчитать газоходы, дымовую трубу, выбрать устройство (дымосос) для уда­ления этих газов и т. д. Как правило, количества продуктов сгорания (как и подаваемого воздуха) относят на еди­ницу топлива (на 1 кг для твердого и жидкого и на 1 м³ в нормальных усло­виях для газа). Их рассчитывают исходя из уравнения материального баланса го­рения. Для грубых оценок можно счи­тать, что в нормальных условиях объем продуктов сгорания твердого и жидко­го топлив равен объему воздуха , а га­зообразного топлива , ибо объем основной составляющей дымовых газов — азота, так же как и «избыточного» кислорода, при горении не меняется. В реакциях C + O₂ = CO_2, S + O₂ = SO₂ объем газов тоже остается постоянным. Для более точных расчетов необходимо все же учитывать, что при сжигании твердого топлива > (обычно на 15—25 %) прежде все­го из-за испарения содержащейся в нем влаги, а также из-за образования водяного пара при сгорании водородсодержащих соединений.

При полном сгорании

Здесь — избыточный кисло­род воздуха, «транзитом» проходящий в продукты сгорания; — азот воздуха, также проходящий «транзитом» (азотом топлива пренебрегаем); — объем сухих трех­атомных продуктов сгорания.

Поскольку при сгорании 1 кмоля уг­лерода и серы (соответственно 12 и 32 кг) по реакциям образует­ся по 1 кмолю CO₂ и SO₂, а объем 1 кмо­ля идеального газа в нормальных усло­виях равен 22,4 м³, то объем трехатом­ных продуктов сгорания, м³/кг, можно записать

При сгорании 1 кг водорода по реак­ции образуется 9 кг водяного па­ра, кроме того, испаряется и влага топ­лива. В идеально-газовом приближении плотность водяного пара в нормальных условиях равна 18/22,4 = 0,805 кг/м³. Водяным паром, содержащимся в воз­духе (около 10 г на 1 м³), можно прене­бречь. Следовательно,

Для всех топлив СССР значения , и табулированы.

Приведенные формулы позволяют рассчитать также состав продуктов сго­рания, т. е. процентное содержание в нем отдельных компонентов, например кон­центрацию кислорода , во­дяного пара и т.д.