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 О^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 необходимое количество 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 количество воздуха, теоретически необходимое 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,

V_RО2 = 0,01866 (С^р + 0,375S_ор+^р_п);

теоретический выход азота, м³/кг,

V_N2⁰ = 0,008N^р + 0,79V⁰;

теоретический выход водяных паров, м³/кг,

V_Н2О⁰ = 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 распыливание 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];

V_RО2⁰ = 0,01(СО₂ + СО + Н₂S + ∑mC_mH_n);

V_N2⁰ = 0,01(N₂ + 79V⁰);

V_Н2О⁰ = 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 количества воздуха, действительно поступившего в топливосжигающее устройство V_в, к теоретически необходимому количеству 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 кислорода

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 = V_RО2 + V_N2⁰ + V_Н2О + (α – 1)V⁰.

Выход водяных паров, м³/кг (м³/м³),

V_Н2О = V_Н2О⁰ + 0,0161 (α – 1)V⁰.