Пример 18. По заданному составу и низшей теплоте сгорания рабочей массы каменного угля: Сг = 78,4 %; Нг = 5,6 %; Sлг = 0,4%; Nг = 2,6%; Ог=13%; Qнг = 31,02 МДж/кг, зольности на сухую массу Ас = 12,2%, влажности рабочего топлива Wp=10 % определить состав рабочей массы топлива, ее низшую теплоту сгорания, приведенные характеристики топлива и располагаемую теплоту холодного топлива (без предварительного подогрева).
Р е ш е н и е. Зольность рабочей массы топлива определяем по формуле (7):
.
Другие составляющие рабочей массы:
Правильность расчета состава рабочей массы определяем суммированием всех ее составляющих:
62 + 4,43 + 0,316 + 2,05+ 10,24+ 11 + 10 = 100,036 %.
Низшую теплоту сгорания рабочей массы топлива определяем по формуле (11):
МДж/кг.
Приведенные характеристики топлива определяем по формуле (14):
Wn= 10/24.2=0,412 % • кг/МДж;
Аn = 11/24,2 = 0,455 % • кг/МДж;
Sлп = 0,316/24,2 = 0,013 % • кг/МДж.
Так как физическая теплота холодного топлива ничтожно мала по сравнению с теплотой сгорания, а пар для распыления применяют только при сжигании тяжелых жидких топлив, то, согласно формуле (159),
|
|
Qрр = Qнр = 24,2 МДж/кг.
Пример 19. Для мазута, состав рабочей массы которого Ср = 83 %; Нр = 10,4 %; Sр = 2,8 %; Ор = 0,3 %; Nр = 0,4 %; Ар = 0,1%; Wр = 3%,а теплота сгорания Qнр = 38,8 МДж/кг определить состав и теплоту сгорания при увеличении его влажности до 6 %.
Решение. Состав рабочей массы мазута при изменении влажности определяем по формуле (8). Пренебрегая незначительными изменениями зольности, получим состав при Wp=6%:
Теплоту сгорания мазута при Wp = 6% определим по формуле (12):
Пример 20.Определить теплоту сгорания природного газа, объемное содержание сухой массы которого составляет: СH4 = 94%; С2Н6 = 2,8%; C3H8 = 0,4%; C4H10 = 0,3 %; C5H10 = 0,1 %; N2= 2 %; CO2 = 0,4 %.
P e ш e н и е. Теплота сгорания природного газа
МДж/кг.
Теплоту сгорания отдельных_газзов, входящих в состав газообразного топлива, принимаем по таблице 5.2.
Пример 21. Для реакции полного сгорания углерода определить количество молей исходных веществ и продуктов реакции, массовые и объемные количества кислорода, теоретически необходимого для горения и теоретического количества продуктов сгорания в расчете на 1 кг горючего; показать также направление смещения равновесия реакции, если в результате воздействия внешних условий в системе произойдет изменение температуры (без изменения давления) и давления (без изменения температуры).
Решени е. Для реакции полного сгорания углерода
С + О2 = СО2
количество киломолей веществ, участвующих в реакции: 1 кмоль С+ 1 кмоль О2 = 1 кмоль СО2.
Учитывая, что масса 1 кмоль вещества равна его молекулярной массе, выраженной в килограммах, получим: 12 кг С + 32 кг О2 = 44 кг СО2 или на 1 кг углерода: 1 кг С + 8/3 кг O2 = 11/3 кг СО2.
|
|
Следовательно, для сгорания 1 кг углерода требуется 8/3 кг кислорода и образуется 11/3 кг СО2.
Так как объем 1 кмоль любого газа при нормальных условиях равен 22,4 м3, то в расчете на 1 кмоль углерода получим: 12 кг С + + 22,4 м3 O2 = 22,4 м3 СО2 или на 1 кг углерода: 1 кг С + + 1,866 м3 О2 = 1,866 м3 СО2.
Таким образом, для полного горения 1 кг углерода требуется 1,866 м3 кислорода и образуется такой же объем СО2. Согласно принципу Ле Шателье — Брауна, в экзотермической реакции при повышении температуры увеличивается скорость обратной реакции — реакции диссоциации С02, протекающей с поглощением теплоты. Поэтому состояние равновесия реакции сместится влево—в сторону исходных веществ. Очевидно, что при уменьшении температуры состояние равновесия реакции сместится вправо. Так как объем системы, определяемый объемом газообразных веществ, участвующих в реакции, при постоянной температуре в ходе реакции С + О2 = СО2 не изменяется, то изменение давления не оказывает влияния на состояние равновесия реакции.
Пример 22. Для реакции горения водорода выполнить расчеты, аналогичные заданным в примере 21. Для газообразного топлива за единицу количества горючего принять 1 м3, для твердого или жидкого — 1 кг.
Р е ш е н и е. В реакции горения водорода Н2 + 0,5О2 = Н2О количество киломолей веществ, участвующих в реакции будет: 1 кмоль Н2 + 0,5 кмоль О2 = 1 кмоль Н2О.
Количество веществ реакции в килограммах: 2 кг Н2 + 0,5 * 32 кг О2 = 18 кг Н2О или на 1 кг водорода: 1 кг Н2 + 8 кгО2 = = 9 кг Н2О.
При горении газообразного водорода объемы веществ, принимающих участие в реакции, будут равны: 22,4 м3 Н2 + 0,5 • 22,4 м3 О2 = 22,4 м3 Н2О или на 1 м3 водорода: 1 м3 Н2 + 0,5 м3 О2 = 1 м3 Н2О.
Следовательно, объем конечных продуктов реакции в 1,5 раза меньше объема исходных веществ.
В расчете на 1 кг водорода в твердом (жидком) топливе объем кислорода, необходимого для горения, и объем образующегося при горении Н2О выразим из мольных соотношений: 2 кг Н2 + 0,5 * 22,4м3 О2 = 22,4м3 Н2О или на 1 кг водорода: 1 кг Н2 + 5,6 м3 О2= 11,2 м3 Н2О.
Таким образом, на окисление 1 кг водорода требуется 5,6 м3 кислорода и образуется 11,2 м3 водяного пара.
При нагревании топлива водород из твердого и жидкого топлива выделяется и горит в газообразном состоянии. Поэтому суммарный объем исходных веществ и продуктов реакции будет таким же, как и при горении газообразного водорода.
Реакция горения водорода — экзотермическая. При повышении температуры состояние равновесия реакции смещается влево, при уменьшении температуры — вправо. При горении водорода объем конечных продуктов меньше объема исходных веществ. Следовательно, согласно принципу Ле Шателье — Брауна, увеличение давления в системе вызывает увеличение скорости прямой реакции, протекающей с уменьшением объема веществ в системе, и состояние равновесия смещается вправо в сторону конечных продуктов. При уменьшении давления состояние равновесия реакции смещается влево.
Пример 23. Определить коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания котельного агрегата, если из результатов химического анализа получены следующие данные, %: RO2 =14,5; О2 = 6,6; СО = 1; Н2 = 0,8; СН4 = 0,5.
Решение. Коэффициент избытка воздуха находим по формуле (146):
.
Пример 24. При сжигании каменного угля Донецкого бассейна марки Т, класса Р (состав топлива принять по техническим характеристикам) из результатов химического анализа продуктов сгорания содержание RO2 = 13,8 %.Определить коэффициент избытка воздуха.
Решение. Для топлива заданного состава находим коэффициент β:
Из формулы (156) находим:
Коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания
Пример 25. При сжигании отсева угля марки 1СС Кузнецкого бассейна (состав угля принять по техническим характеристикам) из анализа продуктов сгорания найдено RO2=4%, О2=4%. Определить содержание СО в продуктах сгорания и коэффициент избытка воздуха.
|
|
Р е ш е н и е. Для заданного топлива находим коэффициент β:
Содержание СО в продуктах сгорания определяем по основному уравнению горения (153):
По формуле () определяем
По формуле () определяем коэффициент избытка воздуха
Пример 26. Для каменного угля, состав которого приведен в примере 18, при его сжигании в камерной топке с твердым шлакоудалением и избытком воздуха αт = 1,2 при температуре воздуха, поступающего в гонку, tгв = 300 °С определить теоретические и действительные объемы воздуха и продуктов сгорания топлива, концентрацию золы и дымовых газах, полезное тепловыделение в гонке и адиабатическую (теоретическую) температуру горения. При выполнении этого примера использовать результаты вычислений, полученных в примере 18.
Р е ш е н и е. Теоретически необходимый объем воздуха и теоретическое количество продуктов сгорания определим по формулам:
м3/кг;
м3/кг;
м3/кг;
м3/кг.
Суммарный теоретический объем продуктов сгорания
Vг0=1,15 + 5,04 + 0,72 = 6,91 м3/кг.
Действительный объем воздуха и продуктов сгорания в расчете на 1 кг топлива
V=1.2*6.36=7.65 м3/кг;
м3/кг;
м3/кг;
м3/кг.
Суммарный объем продуктов сгорания
м3/кг.
Рис. 5Q,. Графический способ линейной интерполяции.
Концентацию золы в дымовых газах определим по формуле (). Принимая долю золы топлива, уносимую газами, аун = 0,95, получим:
.
Для расчета полезного тепловыделения в топке по формуле () необходимо предварительно определить потери теплоты при горении и энтальпию горячего воздуха, подаваемого в топку. Потери теплоты от химической и механической неполноты горения принимаем по расчетным характеристикам: qхим = 0,5 %; qмех = 5 %. Для камерных топок с твердым шлакоудалением величина потери теплоты с физической теплотой шлака qф.шл .ничтожна и ее не учитывают. В условиях промышленного сжигания не учитывают также потери теплоты от диссоциации продуктов сгорания. Энтальпию горячего воздуха определим по формулам (). Принимая удельную энтальпию воздуха при температуре 300°С ів = 403 кДж/м3 (табл. 5.2, приложение 5), получим:
|
|
кДж/м3.
Полезное тепловыделение в топке по формуле (174)
Как установлено в (14), при определении адиабатической температуры горения υа применяют метод линейной интерполяции. Предварительно принимаем ряд температур газов, в пределах которых должна находиться искомая температура, °С, например 1600, 1800, 2000, 2200. При принятых температурах определим энтальпии продуктов сгорания.
Входящие в формулы удельные энтальпии воздуха и продуктов сгорания принимаем по тлблицам. Результаты расчета сводим в табл.14. Из сравнения Qт = 27,11 МДж/кг с полученными значеииями Іт видно, что искомая адиабатическая температура находится в пределе 1800—2000 °С. Линейной интерполяцией данных (последняя строка табл. 14)находим адиабатическую температуру горения:
.
Для определения а часто применяют более наглядный способ интерполяции — графическую интерполяцию. По расчетным значениям энтальпии продуктов сгорания Iг (табл. 14) в масштабе I - строят график (рис.8). Откладывая на графике величину полезного тепловыделения топке QT, находят а.
Таблица 14. Расчет энтальпии продуктов сгорания.
Определяемая величина и расчетная формула | Значение I (МДж/кг) при температуре, | |||
ів | 2.403 | 2.729 | 3.064 | 3.399 |
Ів0=V0iB | 15.300 | 17.340 | 19.450 | 21.600 |
iRO2 | 3.767 | 4.303 | 4.843 | 5.387 |
IRO20= VRO20 iRO2 | 4.330 | 4.950 | 5.570 | 6.190 |
iN2 | 2.323 | 2.642 | 2.964 | 3.290 |
I0N2=V0N2iN2 | 11.700 | 13.310 | 14.930 | 16.750 |
i H2O | 3.001 | 3.458 | 3.926 | 4.399 |
I0H2O=V0H2O*iH2O | 2.160 | 2.480 | 2.820 | 3.160 |
I0B= IRO20+ I0N2+ I0H2O | 18.1900 | 20.740 | 23.320 | 25.920 |
(α-1)* I0B | 3.300 | 3.470 | 3.890 | 4.430 |
Ir=I0r+(α-1)* I0B | 21.490 | 24.210 | 27.210 | 30.350 |