Расход воздуха и выход продуктов полного сгорания горючих элементов.

 

При использовании абсолютного сухого атмосферного воздуха реакции полного сгорания горючих элементов имеют вид

С + О₂ + 3,76N₂ = СО₂ + 3,76N₂ + Q_с

 

2Н₂ + О₂ + 3,76N₂ = 2Н₂О + 3,76N₂ + Q_Н2 (1.17)

 

S + О₂ + 3,76N₂ = SО₂ + 3,76N₂ + Q_S

 

Таблица 2 - Потребное количество кислорода и выход продуктов

полного горения

Составляющая топлива	Потребное количество кислорода для полного горения	Выход продуктов полного сгорания
м^3/кг топлива	кг/кг топлива	м^3/кг топлива
углерод	22,4/12 = 1,867	32/12 = 2,667	1,867
водород	22,4/ 4 = 5,6	32/4 = 8	11,2
сера	22,4/ 32 = 0,7	32/ 32 = 1	0,7

 

После подстановки получим

, м³/кг (1.18)

где С,Н, О^р, S^р – % элементов в твердом или жидком топливе

Для газообразного топлива

, (1.19)

где Н₂, СО и т.д. – % горючих газов в газообразном топлива

Пример 1. Определить расход воздуха для сжигания топлива, состав которого – 100 % С

Весовой метод. Уравнение реакции горения

С + О₂ = СО₂

из этой реакции следует, что 1 кг С сгорая в СО₂ требует

32: 12 = 2,67 кг кислорода

С этим количеством кислорода войдет азота

кг

Следовательно, масса воздуха, приходящегося на 1 кг углерода равна, т.е. теоретический расход воздуха

L_О = 2,67 + 8,83 = 11,5 кг/кг

При О ^оС и 101,3 кн/м² это количество воздуха займет объем 11,5: 1,293 = 8,89 м³.

Таким образом, потребное количество воздуха может быть выражено в весовых количествах 11,5 кг/кг и в объемных (в нормальном состоянии) 8,89 м³/кг.

Молярный метод. В 100 кг С содержится 100: 12 = 8,33 моля т.к. при горении углерода на 1 моль последнего расходуется 1 моль кислорода, т.е. на 100 кг углерода потребуется 8,33 моля кислорода. С этим количеством кислорода войдет азота

моля

всего же воздуха 8,33 + 31,34 = 39,67 моля или

 

39,67 ^. 22,4 = 888,8 м³

Следовательно, L_О = 888,8: 100 = 8,89 м³кг, или же

L_О = 8,89 ^. 1,293 = 11,5 кг/кг

 

Следовательно, весовой и молярный методы дают одинаковые результаты.

Для сжигания реального топлива расход воздуха L_α принимают больше чем теоретический расход L_о для полного сжигания топлива. Поэтому было введено понятие «коэффициент расхода воздуха» α.

Коэффициент расхода воздуха представляет собой отношение действительно затрачиваемого объема воздуха на единицу топлива (L _α) к теоретически необходимому (L_О), т.е.

(1.20)

Подавляющее большинство металлургических печей работают с

a = 1,05 ¸ 1,25 (1.21)

Теоретически необходимый расход воздуха определяют по теоретическому расходу кислорода и объемной доли кислорода в воздухе

(1.22)

Подставляя значение из формулы (1.18), то получим теоретический объемный расход сухого воздуха для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива

м³/кг (1.23)

Для атмосферного воздуха К_О2 = 0,21 и формула примет вид

, м³/кг (1.24)

Объемный теоретический расход сухого воздуха, для сжигания 1 м³ газообразного топлива определится по формуле

Для атмосферного воздуха К_О2 =0,21 и формула примет вид

Так как для горения используют влажный воздух, в котором на 1 м³ сухой части содержится f г влаги или м³

водяного пара, то расход влажного воздуха составит

, м³/ед.топлива (1.26)

 

Определение количества и состава продуктов сгорания

При полном сгорании топлива

Объем продуктов полного горения твердого или жидкого топлива складывается из СО₂, Н₂О, N₂, SО₂, О_{2 изб}.

1. При полном сгорании твердого и жидкого топлива (при a>1) объем СО₂ в продуктов сгорания определяют по формулам

= 0,01^. 1,867 С, м³/кг,

где 1,867 – объем углекислого газа, полученный при полном

сгорании 1 кг углерода;

С – содержание углеводорода в топливе, %.

2. Объем водяных паров складывается:

- из объема водяных паров, образовавшихся от сгорания 1 кг водорода топлива в количестве 22,4: 2 = 11,2 м³/кг;

- из объема водяных паров, полученных в результате испарения влаги топлива – 1,242 W^р, где 1,242 – удельный объем водяного пара (м³/кг);

- при сжигании жидкого топлива его предварительно распыливают воздухом или паром; если обозначить через W_ср (ср-средство распыления) количество пара (в кг), расходуемое для распыления 100 кг топлива, то количество пара в продуктах сгорания увеличится на 1,242 W_ср (м³/кг).

Общее количество водяных паров в продуктах сгорания

, м³/кг (34)

3. При наличии серы в продуктах сгорания будет присутствовать сернистый газ. Из 1 кг серы получается 22,4: 32 = 0,7 м³.

Следовательно, = 0,01^.0,7^.S^р

, м³кг

4. Содержание азота в продуктах сгорания складывается из азота топлива 0,8 N^р, где 0,8 – удельный объем азота (22,4: 28 =0,8) м³/кг, а так же азота в воздухе

 

 

где К_О2 – объемная доля кислорода воздуха.

Следовательно, объем азота в продуктах сгорания

5. Объем избыточного кислорода воздуха

, м³/м³

Общий объем продуктов сгорания (V_д) при сжигании твердого и жидкого топлива

 

(1.27)

При сжигании газообразного топлива объем продуктов сгорания определяют по формулам

Объем углекислого газа

,м³/м³

где СО, СО₂ и т.д. – составляющие топлива, % (объема).

На 1 м³ СО получаем 1 м³ СО₂, поэтому при окислении углерода стоит коэффициент равный единице. При сгорании углеводородов С_тН_п количество молей СО₂ в реакции получается равным количеству атомов углерода. Например, при сгорании С_тН_п получаем тСО ₂ и т.д. Общая формула для подсчета объема углекислого газа, полученного при полном сгорании углеводородов С_тН_п

Аналогично подставляют объем водяного пара, полученного при полном сгорании С_тН_п

2. Объем водяного пара

, м³/м³

где f ^т – влажность топлива, отнесенная к 1 м³ сухого газа, г/м³;

f^в - влажность топлива, отнесенная к 1 м³ сухого воздуха, г/м³.

3. Объем SО₂

, м³/м³

4. Объем азота

, м³/м³

5. Объем избыточного кислорода

, м³/м³

6. Общий объем продуктов горения

Пример 2 Определить расход воздуха и выход продуктов сгорания для сжигания 1 м³ газа следующего состава

СН₄ = 75 %; С₂Н₆ = 3 %; С₃Н₈ = 1 %; и СО₂ = 21 %

Для горения 100 молей газа приведенного состава потребное количество кислорода составит

1. для горения метана СН₄ по уравнению

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О 75 х 2 = 150 молей

2. для горения этана

С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2 СО₂ + 3 Н₂О 3 х 3,5 = 10,5 молей

3. для горения пропана

С₃Н₈ + 5 О₂ = 3 СО₂ + 4 Н₂О 1 х 5 = 5 молей____

всего 165,5 молей

С этим количеством кислорода поступит азота

165,5 х 3,762 = 622,6 молей,

а всего воздуха 165,5 + 622 = 788,1 молей.

Следовательно, L_о = 788,1: 100 = 7,881 моль/моль,

или L_о = 7,881 м³/м³

 

Определение состава продуктов горения

1. СО₂

- вносит газ 21 моль

- горение метана СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О 75 х 1 = 75 молей

- горение этана С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О 3 х 2 = 6 молей

- горение пропана С₃Н₈ + 5О₂ =3СО₂ + 4Н₂О 1 х 3 = 3 моля_

всего 105 молей

2. Н₂О

- горение метана СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О 75 х 2 = 150 молей

- горение этана С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О 3 х 3 = 9 молей

- горение пропана С₃Н₈ + 5О₂ =3СО₂ + 4Н₂О 1 х 4 = 4 моля_

всего 163 моля

 

 

3. Воздух вносит азота 622,6 моля

Всего продуктов горения

V_д = 105 + 163 + 622,6 = 890,6 моля

Количество продуктов горения, образующихся на 1 м³ газа составит

V_д = 890,6: 100 = 8,906 м³/м³

 

Температуры горения топлива

 

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате сообщения им тепла, выделяемого при сжигании. Различают адиабатную и действительную температуру горения. Адиабатной называется температура, которую приобретают продукты сгорания в адиабатных условиях, т.е. без теплообмена с окружающей средой. Действительной называется температура, которую приобретают продукты сгорания в реальных условиях сжигания.

Различают три адиабатные температуры: жаропроизводительность (по Д.И.Менделеееву), калориметрическая и теоретическая температуры.

Рассмотрим адиабатную оболочку, в которой находится 1 м³ газа или 1 кг жидкого топлива, или 1 кг твердого топлива. Внутри адиабатной оболочки находится стехиометрическое количество воздуха L_о, При подсчете жаропроизводительности принимают температуру топлива и воздуха равную 0 ^оС.

Составим уравнение теплового баланса. С одной стороны в адиабатной системе выделяется . С другой стороны количество теплоты, которое пошло на нагрев продуктов горения V _пг составляет

На основании теплового баланса

Из этого выражения следует, что максимальная температура, которую приобретают продукты горения, равна

, ^оС

где - низшая теплота сгорания, кДж/м³;

V_п.г - объем продуктов полного горения, полученный при

cтехиометрическом сжигании топлива, м³/м³, м³/кг;

- средняя объемная теплоемкость продуктов горения,

кДж/м³ К, кДж/кг К.

Полученная температура была названа Д.И.Менделеевым жаропроизводительностью топлива.

Полученную максимальную температуру в развернутом виде можно записать

, ^оС (1.29)

Величина жаропроизводительности различных индивидуальных газов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Жаропроизводительность различных горючих газов

 

Газ	Максимальное содержание СО2 при сжигании газа в воздухе, %	Жаропроизводительность газа, ^оС	Газ	Максимальное содержание СО2 при сжигании газа в воздухе, %	Жаропроизводительность газа, ^оС
Метан Этилен Этан Пропилен Пропан Бутилен Бутан	11,8 13,2 13,8		Пентан Водород Окись углерода Генераторный Коксовый Доменный Природный Попутный	14,2 - 34,7 10,5 11,8

 

Если при расчете температуры адиабатного горения учитывается подогрев воздуха и газа, то полученная температура называется калориметрической.

Тепловой баланс горения имеет вид

из которого следует

, (1.30)

где Q_{ф.в .} - физическое тепло подогретого воздуха, МДж/м³;

Q_ф.т - физическое тепло подогретого газа или жидкого топлива, МДж/м³.

Величину Q_{ф.в .} и Q_ф.г можно вычислить по формулам

,

где α - коэффициент расхода воздуха

L_о - теоретический расход воздуха, м³/м³;

- средняя объемная теплоемкость подогретого воздуха

кДж/м³ К;

- средняя объемная теплоемкость подогретого газа

кДж/м³ К;

t_г, t_в – температуры подогрева газа и воздуха

Величину Q_{ф.в .} и Q_ф.г можно записать и через энтальпии

Тогда t_к можно записать в виде

Если левую и правую часть уравнения умножить на , то получим выражение калориметрической энтальпии

(1.31)

Можно записать в виде

Вычислить t_к по представленным формулам невозможно, т.к. в формулу входит величина С_пг, которая зависит от этой t_к. Определяют t_к двумя методами: 1) методом инерций; 2) графическим методом построения зависимости h_п.г = f (t).

В соответствии с методом итераций задаемся калориметрической температурой t'_к и вычисляем калориметрическую энтальпию h'_к. Сравниваем h_к и h'_к. Если окажется, что h'_к > h_к, то следовательно принятая температура t'_к завышена. Принимаем следующую температуру t''_к на 100 ^о ниже, чем предыдущая и вновь рассчитываем h''_к и сравниваем с h_к. Необходимо достичь, чтобы h_к находилась между h'_к и h''_к, тогда и калориметрическая температура будет находиться в диапазоне t'_к и t''_к. Калориметрическую температуру можно определить по интерпаляционной формуле

, ^оС

Калориметрическую температуру можно определить графическим путем. Для этого необходимо построить зависимость продуктов горения по формуле

,

где и т.д. – энтальпия соответствующих компонентов

продуктов горения СО₂, Н₂О и т.д. – процентное содержа-

ние указанных компонентов в продуктах горения.

Затем вычисляется калориметрическая энтальпия продуктов горения

Откладывая h_к на оси ординат h_пг, проводится прямая параллельная оси абсцисс до пересечения с кривой энтальпии и из этой точки опускается на ось абсцисс, где и отмечается t_к.

Калориметрическая температура рассчитывается из условий адиабатности и необратимости. В действительности реакции являются обратимыми и при температурах выше 1800 ^оС эндотермические реакции начинают оказывать ощутимое влияние. Адиабатическая температура, которая учитывает диссоциацию продуктов горения называется теоретической.

До температуры 2200 ^оС считается, что частичной диссоциации подвергаются только СО₂ и Н₂О

СО₂ СО +½ О₂ - Q_дисс

Н₂О Н₂ +½ О₂ - Q_дисс

Продукты горения в этом случае состоят из

СО – СО₂ – Н₂ - Н₂О – N₂

При подсчете температуры в печи при сжигании газов с высокой температурой сгорания, особенно при подогреве воздуха и газа, необходимо считаться с понижением температуры вследствие диссоциации продуктов сгорания

, (1.32)

где - теплота диссоциации продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг или 1 м³ топлива, кДж/кг, кДж/м³.

Расчет теоретической температуры весьма трудоемкий, поэтому воспользуемся с достаточной для технических расчетов степенью точности зависимостями в области температур до

2200 ^оС:

Величина φ равна:

1900 - 2000 ^оС Þ φ = 0,96

2000 - 2100 ^оС Þ φ = 0,945

2100 - 2200 ^оС Þ φ = 0,93

При температуре выше 2200 ^оС происходит более глубокая диссоциация продуктов горения

СО₂ СО +½ О₂ - Q_дис

Н₂О Н₂ +½ О₂ - Q_дис

Н₂ Н + Н - Q_дис

О₂ О + О - Q_дис

½N₂ + ½ О₂ NО - Q

Действительная температура горения t_д соответствует реальным условиям сжигания и потерь тепловой энергии в печи

, (1.33)

где q_пот – потеря тепловой энергии в результате горения в реальных условиях, отнесенная к 1 м³ или 1 кг сжигаемого топлива

При рассмотрении понятия t_д имеется в виду и теплопередача газов при этой температуре.

В связи со сложностью расчетов t_д из-за q_пот и q_дисс было предложено использование пирометрического коэффициента η_пир. Отношение действительной температуры горения к калориметрической называется пирометрическим коэффициентом.

(1.34)

Средние значения пирометрических коэффициентов для различных печей приведены в таблице 4.

Таблица 4- Средние значения пирометрических коэффициентов

Наименование печей и топок	φ
Кузнечная щелевая печь Камерная печь с плотно закрывающейся заслонкой Качественные садочные печи Мартеновская печь Методическая печь Туннельная печь закрытой конструкции Теплоизолированные печи неэкранированных котлов Топки экранированных котлов Стекловарочная печь непрерывного действия Шахтная печь для обжига цемента Воздухонагреватель	0,66 – 0,7 0,75 – 0,8 0,80 – 0,85 0,70 – 0,75 0,70 – 0,75 0,75 – 0,82 0,70 – 0,75 0,65 – 0,7 0,70 – 0,75 0,75 – 0,8 0,77 – 0,9

Значение η_пир колеблется в пределах 0,6-0,85 для нагревательных печей. η_пир является эмпирической величиной, но можно вычислить и по формуле

, (1.35)

где ε – КПД топочного процесса, доли единицы;

q_пот и q_пол - величина отдачи тепла продуктами сгорания нагреваемому материалу (полезная отдача) и различного рода потери.