Расход воздуха для горения топлива и выход продуктов сгорания

В качестве окислителя в процессах горения обычно используют атмосферный воздух, в некоторых промышленных топливоиспользующих установках – воздух, обогащенный кислородом или забалластированный инертными примесями. Состав сухого воздуха, без учета незначительных количеств двуокиси углерода СО₂ и редких газов, принимается следующим (в процентах):

По объему по весу

Кислород 21,0 23,2

Азот 79,0 76,8

Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к 1 кг горючего и выразив газообразные вещества в объемных единицах, получим количество кислорода и выход продуктов сгорания (в предположении полного сгорания топлива – углерод сгорает с образованием СО₂) на 1 кг каждой составляющей горючей массы топлива в м³ при давлении 0,1013 МПа (760 мм рт. ст.) и 0^оС.

Для углерода: С + О₂ = СО₂,

12,01 кг С + 32 кг О₂ = 44,01 кг СО₂;

1 кг С +1,866 м³ О₂ = 1,866 м³ СО₂.

Для серы: S + О₂ = SО₂ ,

32,06 кг S + 32 кг О₂ =64,06 кг SО₂;

1 кг S + 0,7 м³ О₂ = 0,7 м³ SО_2.

Для водорода: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О,

4,032 кг Н₂ + 32 кг О₂ = 36,032 кг Н₂О;

1 кг Н₂ + 5,55 м³ О₂ = 11,1 м³ Н₂О.

Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива, и вычитая количество кислорода топлива, получим теоретически необходимый объем кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива Vо₂^о, м³/кг:

Vо₂^о = 0,01(1,866С^р + 5,55Н^р + 0,7S^р_(ор+п) – 0,7О^р).

В воздухе содержится кислорода примерно 21% по объему. Поэтому объем воздуха, теоретически необходимый для полного сжигания 1 кг топлива V⁰, м³/кг, составляет:

V⁰ = Vо₂/0,21 = 0,0889 (С^р + 0,375 S_ор+п) +0,265Н^р – 0,0333О^р.

Теоретический выход продуктов сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива (1 м³ газообразного топлива), м³/кг (м³/м³),

V_г^о = Vсо₂ + Vsо₂ + V_N2^о + Vн₂о⁰.

Для упрощения теплотехнических расчетов с учетом того, что Vsо₂ значительно меньше Vcо₂, выход сухих трехатомных газов суммируют:

V_RО2 = Vсо₂ + Vsо₂,

а их физические параметры принимают по характеристикам диоксида углерода СО₂ (теплоемкости, теплопроводности, плотности).

При расчете выхода продуктов сгорания в случае сжигания твердого и жидкого топлив используют следующие формулы:

выход сухих трехатомных газов, м³/кг,

VRО₂ = 0,01866 (С^р + 0,375S^р + ор);

теоретический выход азота, м³/кг,

VN₂0 = 0,008N^р + 0,79V⁰;

теоретический выход водяных паров, м³/кг,

VН₂О⁰ = 0,111Н^р + 0,0124W^р + 0,00124d_вV^о + 1,24 G_ф,

где d_в – содержание влаги в воздухе, г/м³, обычно принимаемое равным 13 г/м³;

G_ф – удельный расход пара на распыление жидкого топлива (от 0,03 до 1 кг/кг в зависимости от типа форсунки).

Расхода воздуха и выход продуктов сгорания при сжигании газообразного топлива также рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих:

теоретический расход сухого воздуха, м³/м³,

V⁰ = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н₂ + 1,5Н₂S + ∑(m + n/4)C_mH_n – О₂];

V7 = 0,01(СО₂ + СО + Н₂S + ∑mC_mH_n);

VN₂0 = 0,01(N₂ + 79V⁰);

VН₂О⁰ = 0,01(Н₂ + Н₂S + ∑0,5nC_mH_n) + 0,00124d_г + 0,0161V^0,

где d_г – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа (при t = 10^оС принимают d_г = 10 г/м³).

Теоретический объем воздуха, необходимого для горения, и теоретический объем продуктов горения для газов, входящих в состав газообразного топлива, приведены в таблице 1,2.

В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций выгорание все более замедляется. Кроме того, в топливосжигающих устройствах условия реагирования ухудшаются также из-за недостаточно совершенного перемешивания вступающих в процесс горения воздуха и топлива. Поэтому воздух для горения подают больше его теоретически необходимого количества. Исключение составляют отдельные технологические процессы, при которых воздуха подают меньше необходимого, так как необходимо создание в нагревательных камерах нейтральной или малоокислительной среды.

Отношение объема воздуха, действительно поступившего в топливосжигающее устройство V_в, к теоретически необходимому объему называют коэффициентом избытка воздуха:

α = V_в/V⁰.

При проектировании топливосжигающих устройств величину α выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива. Так при сжигании твердого топлива минимальное значение α = 1,2 – 1,25, а для природных газов и мазута – α =1,05. На действующих топках, печах или камерах сгорания балансовыми испытаниями при различных нагрузках определяется оптимальное значение α, при котором суммарная величина потерь тепла от механической и химической неполноты сгорания топлива и потерь тепла с уходящими газами окажется минимальной.

На практике коэффициент избытка воздуха определяют по данным газового анализа продуктов сгорания. При полном сгорании топлива (в продуктах сгорания отсутствуют продукты неполного горения) формула для определения α имеет вид

α = 21/(21 – О₂),

где О₂ – относительная объемная (в процентах) концентрация кислорода в продуктах сгорания.

При содержании в продуктах сгорания горючих компонентов сначала определяется (в процентах) избыточное содержание кислород

О_2изб = О₂ – 0,5СО – 0,5Н₂ – 2СН₄,

а затем по формуле

α = 21/(21 – О_2изб)

определяется коэффициент избытка воздуха.

Выход продуктов полного сгорания при α > 1 на 1 кг твердого и жидкого топлива (на 1 м³ газообразного топлива), м³/кг (м³/м³),

V_г = VRО₂ + VN₂0 + VН₂О + (α – 1)V⁰.

Выход водяных паров, м³/кг (м³/м³),

VН₂О = VН₂О⁰ + 0,0161 (α – 1)V⁰.

Температура горения

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения.

В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов сгорания, так как часть тепла теряется в окружающую среду и некоторое количество тепла теряется из зоны горения излучением. Кроме того, при высоких температурах происходит диссоциация части продуктов сгорания, сопровождающаяся поглощением тепла (эндотермические реакции).

При сжигании углеводородного топлива при температурах, не превышающих 2200 ^оС, имеют место следующие реакции диссоциации продуктов горения:

СО₂ ↔ СО + 0,5О₂;

Н₂О ↔ Н₂ + 0,5О₂;

Н₂О ↔ ОН + 0,5Н₂.

Заметная диссоциация диоксида углерода СО₂ начинается при температурах выше 1500^оС, а водяного пара Н₂О – выше 1600^оС.

При температурах, превышающих 2200^оС, диссоциации подвергаются молекулярные кислород, водород и азот:

О₂ ↔ О + О;

Н₂ ↔Н + Н;

N₂↔ N+ N.

При температуре выше 2000^оС становится заметным окисление атмосферного азота, которое протекает по реакции

N₂ + О₂ ↔ 2NO.

При сжигании углеводородных топлив в воздухе, когда температура горения не превышает 2200^оС, температуру горения рассчитывают с учетом диссоциации только СО₂ и Н₂О.

Температуру горения для реальных условий определяют из теплового баланса процесса горения:

Q_н^р + Q_см = Q_г + Q_п + Q_д,

где Q_н^р – теплота сгорания;

Q_см – энтальпия (теплосодержание) исходной горючей смеси;

Q_г – энтальпия продуктов сгорания;

Q_п - количество тепла, потерянного в окружающую среду и от излучения из зоны горения;

Q_д – количество тепла, затрачиваемого на диссоциацию продуктов сгорания.

В результате преобразований получим формулу для определения действительной температуры продуктов сгорания 1 кг (1 м³) топлива:

t = (Q_н^р + V_вС_вt_в + С_тt_т– Q_п – Q_д) / ∑V_iC_i,

где - С_в и С_т - теплоемкости соответственно воздуха, кДж/(м³∙К), и топлива кДж/(кг∙К) или кДж/(м³∙К);

t_в и t_т - температуры соответственно воздуха и топлива, ^оС;

V_i – выход продуктов сгорания, м³;

C_i - теплоемкость отдельных компонентов продуктов сгорания, кДж/(м³∙К).

Удельная теплоемкость воздуха и продуктов сгорания в зависимости от температуры приведена в табл. 1.4.

Теплоемкость твердого и жидкого топлива определяется по следующим формулам (в кДж/(кг∙К):

для твердого топлива

С_т = 4,19 W^р/100 + С_с(100 - W^р )/100;

для жидкого топлива

С_т = 1,738 + 0,0251(Т_т - 273),

где С_с - теплоемкость сухой массы твердого топлива (для каменного угля теплоемкость составляет 1,09 кДж/(кг. К), для бурого угля и торфа - 1,16 кДж/(к/К), для антрацита и тощего каменного угля - 0,92 кДж/(кг / К) без учета ее изменения с температурой).

Теплоемкость сухого газообразного топлива в кДж/(м³∙К) определяется по формуле:

С_т = 0,01(СН₂Н₂ + С_СОСО + ∑С_CmНnС_mН_n + СN₂N₂ + CО₂О₂ + …),

где СН₂, С_СО, С_cmНn, и т.д. - средние изобарные теплоемкости в кДж/(м³∙К) соответствующих индивидуальных газов в интервале от 0^оС до температуры топлива t_т, значения которых приведены в таблице 1.3;

Н₂ , СО, С_mН_n и т.д. - содержание соответствующих газов в газообразном топливе.

Из формулы для определения действительной температуры продуктов сгорания видно, что при определенном подогреве данной горючей смеси максимальное значение температуры горения получается в случае, когда

Q_п = Q_д = 0

Таблица 1.3

Средняя объемная теплоемкость горючих газов в кДж/(м³∙К) при постоянном давлении

Температура горения, получаемая в условиях адиабатического (нет теплообмена с окружающей средой) сжигания без учета явления диссоциации, называется адиабатической (калориметрической) температурой, ^оС:

t_к = (Q_н^р + V_вС_вt_в + С_тt_т) / ∑V_iC_i.

Определение теоретической температуры горения (с учетом теплоты диссоциации продуктов сгорания) является сложным расчетом, требующим непростого вычисления выхода продуктов сгорания и их теплоемкости с учетом диссоциации. Поэтому в теплотехнических расчетах, не требующих высокой точности, используется упрощенная методика расчета теоретических температур горения. Эта методика базируется на том, что при температурах, не превышающих 2200^оС, диссоциирует лишь малая часть СО₂ и Н₂О, а продукты диссоциации в общем объеме продуктов сгорания составляют еще меньшую часть. Поэтому принимают, что энтальпия продуктов сгорания не меняется в результате диссоциации СО₂ и Н₂О. При таком допущении формула для расчета теоретической температуры горения принимает вид:

t _теор = (Q_н^р + V_вС_вt_в + С_тt_т – q_{д) /} ∑V_iC_i,

где V_i и C_i – выход и теплоемкость продуктов сгорания без учета их диссоциации; q_д – теплота, затрачиваемая на диссоциацию, кДж/кг (кДж/м³).

Таблица 1.4

Средняя объемная теплоемкость воздуха и продуктов сгорания в интервале температур от 0 до 2200⁰С при постоянном давлении, кДж/(м³∙К)

Потери теплоты от диссоциации СО₂ и Н₂О:

q_д = 12640 α_д V_СО2 + 10800 β_д V_Н2О,

где VСО₂ и VН₂О – соответственно выход диоксида углерода и водяного пара, м³/кг (м³/м³);

α_д – степень диссоциации диоксида углерода, %;

β_д - степень диссоциации водяного пара,

Таблица 1.5

Степень диссоциации диоксида углерода α_д , %

Таблица 1.6

Степень диссоциации водяного пара β_д, %

Степень диссоциации водяного пара и диоксида углерода возрастает с повышением температуры горения и снижением их парциального давления в смеси продуктов сгорания. Значения степени диссоциации СО₂ и Н₂О приведены в таблицах 1.5 и 1.6.

На температуру горения существенно влияет коэффициент избытка воздуха (табл.1.7).

Таблица 1.7

Температура горения природного газа (СН₄ – 97%) в воздухе с температурой 0^оС

Контрольные вопросы

1. Из каких основных элементов состоит твердое топливо

Дайте характеристику горючих элементов топлива.

2. Что такое высшая и низшая теплота сгорания топлива?

3. Что такое материальный и тепловой балансы процесса горения?

4. Как определяется теоретический объем воздуха, необходимый для горения топлива?

5. Как определяется теоретический объем продуктов сгорания топлива?

6. Что такое коэффициент избытка воздуха?

7. Напишите уравнение теплового баланса процесса горения.

8. Что называется адиабатической температурой горения и как ее

рассчитать?

9. Что такое теоретическая температура горения и как ее рассчитать?