2020-04-12
544
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 ОоС.
|
|
|
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 SО2.
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 Vо2о, м3/кг:
Vо2о = 0,01(1,866Ср + 5,55Нр + 0,7Sр(ор+п) – 0,7Ор).
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 (Ср + 0,375 Sор+п) +0,265Нр – 0,0333Ор.
Теоретический выход продуктов сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива (1 м3 газообразного топлива), м3/кг (м3/м3),
Vго = Vсо2 + Vsо2 + VN2о + Vн2о0.
Для упрощения теплотехнических расчетов с учетом того, что Vsо2 значительно меньше Vcо2, выход сухих трехатомных газов суммируют:
VRО2 = 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 (Ср + 0,375Sор+рп);
теоретический выход азота, м3/кг,
VN20 = 0,008Nр + 0,79V0;
теоретический выход водяных паров, м3/кг,
VН2О0 = 0,111Нр + 0,0124Wр + 0,00124dвVо + 1,24 Gф,
где dв – содержание влаги в воздухе, г/м3, обычно принимаемое равным 13 г/м3;
Gф – 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)CmHn – О2];
VRО20 = 0,01(СО2 + СО + Н2S + ∑mCmHn);
VN20 = 0,01(N2 + 79V0);
VН2О0 = 0,01(Н2 + Н2S + ∑0,5nCmHn) + 0,00124dг + 0,0161V0,
где dг – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа (при t = 10оС принимают dг = 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 Vв, к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха:
α = Vв/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
О2изб = О2 – 0,5СО – 0,5Н2 – 2СН4,
|
|
|
а затем по формуле
α = 21/(21 – О2изб)
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),
Vг = 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 1500оС, а водяного пара Н2О – выше 1600оС.
При температурах, превышающих 2200оС, диссоциации подвергаются молекулярные кислород, водород и азот:
О2 ↔ О + О;
Н2 ↔Н + Н;
N2↔ N+ N.
При температуре выше 2000оС становится заметным окисление атмосферного азота, которое протекает по реакции
N2 + О2 ↔ 2NO.
При сжигании углеводородных топлив в воздухе, когда температура горения не превышает 2200оС, температуру горения рассчитывают с учетом диссоциации только СО2 и Н2О.
|
|
|
Температуру горения для реальных условий определяют из теплового баланса процесса горения:
Qнр + Qсм = Qг + Qп + Qд,
где Qнр – теплота сгорания;
Qсм – энтальпия (теплосодержание) исходной горючей смеси;
Qг – энтальпия продуктов сгорания;
Qп - количество тепла, потерянного в окружающую среду и от излучения из зоны горения;
Qд – количество тепла, затрачиваемого на диссоциацию продуктов сгорания.
В результате преобразований получим формулу для определения действительной температуры продуктов сгорания 1 кг (1 м3) топлива:
t = (Qнр + VвСвtв + Стtт– Qп – Qд) / ∑ViCi,
где - Св и Ст - теплоемкости соответственно воздуха, кДж/(м3∙К), и топлива кДж/(кг∙К) или кДж/(м3∙К);
tв и tт - температуры соответственно воздуха и топлива, оС;
Vi – выход продуктов сгорания, м3;
Ci - 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
Ст = 4,19 Wр/100 + Сс(100 - Wр )/100;
для жидкого топлива
Ст = 1,738 + 0,0251(Тт - 273),
где Сс - теплоемкость сухой массы твердого топлива (для каменного угля теплоемкость составляет 1,09 кДж/(кг. К), для бурого угля и торфа - 1,16 кДж/(кг. 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:
Ст = 0,01(СН2Н2 + ССОСО + ∑СCmНnСmНn + СN2N2 + CО2О2 + …),
где СН2, ССО, СcmНn, и т.д. - средние изобарные теплоемкости в кДж/(м3∙К) соответствующих индивидуальных газов в интервале от 0оС до температуры топлива tт, значения которых приведены в таблице 1.3;
Н2 , СО, СmНn 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 Qп = Qд = 0.
Таблица 1.3
Средняя объемная теплоемкость горючих газов в кДж/(м3∙К) при постоянном давлении
| tт,оС | CО | Н2 | Н2S | СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 |
| 0 | 1,299 | 1,277 | 1,513 | 1,544 | 2,227 | 3,039 | 4,128 | 5,129 |
| 100 | 1,302 | 1,292 | 1,543 | 1,653 | 2,525 | 3,450 | 4,517 | 5,837 |
| 200 | 1,307 | 1,297 | 1,574 | 1,765 | 2,809 | 3,860 | 5,255 | 6,515 |
| 300 | 1,317 | 1,300 | 1,608 | 1,890 | 3,077 | 4,271 | 5,774 | 7,135 |
| 400 | 1,329 | 1,302 | 1,644 | 2,019 | 3,333 | 4,681 | 6,268 | 7,742 |
| 500 | 1,343 | 1,305 | 1,682 | 2,144 | 3,571 | 5,095 | 6,691 | 8,257 |
Температура горения, получаемая в условиях адиабатического (нет теплообмена с окружающей средой) сжигания без учета явления диссоциации, называется адиабатической (калориметрической) температурой, оС:
tк = (Qнр + VвСвtв + Стtт) / ∑ViCi.
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 2200оС, 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 = (Qнр + VвСвtв + Стtт – qд) / ∑ViCi,
где Vi и Ci – выход и теплоемкость продуктов сгорания без учета их диссоциации;
qд – 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)
| t,оС | СО2 | Н2О | N2 | О2 | SO2 | Сухой воздух | Влажный воздух |
| 0 | 1,603 | 1,494 | 1,295 | 1,306 | 1,735 | 1,297 | 1,319 |
| 100 | 1,704 | 1,505 | 1,296 | 1,317 | 1,815 | 1,300 | 1,324 |
| 200 | 1,791 | 1,521 | 1,299 | 1,335 | 1,889 | 1,307 | 1,332 |
| 300 | 1,867 | 1,541 | 1,308 | 1,336 | 1,956 | 1,316 | 1,342 |
| 400 | 1,934 | 1,564 | 1,316 | 1,377 | 2,019 | 1,328 | 1,355 |
| 500 | 1,993 | 1,588 | 1,328 | 1,398 | 2,070 | 1,341 | 1,368 |
| 600 | 2,046 | 1,614 | 1,340 | 1,417 | 2,116 | 1,355 | 1,383 |
| 700 | 2,094 | 1,639 | 1,354 | 1,434 | 2,153 | 1,369 | 1,397 |
| 800 | 2,136 | 1,666 | 1,367 | 1,450 | 2,182 | 1,383 | 1,411 |
| 900 | 2,175 | 1,693 | 1,379 | 1,465 | 2,216 | 1,396 | 1,425 |
| 1000 | 2,209 | 1,721 | 1,392 | 1,478 | 2,237 | 1,408 | 1,437 |
| 1100 | 2,241 | 1,789 | 1,403 | 1,489 | 2,258 | 1,420 | 1,450 |
| 1200 | 2,269 | 1,794 | 1,414 | 1,501 | 2,279 | 1,431 | 1,461 |
| 1300 | 2,296 | 1,800 | 1,425 | 1,511 | 2,300 | 1,443 | 1,472 |
| 1400 | 2,320 | 1,826 | 1,435 | 1,521 | 2,321 | 1,453 | 1,483 |
| 1500 | 2,342 | 1,851 | 1,444 | 1,530 | 2,343 | 1,462 | 1,493 |
| 1600 | 2,356 | 1,876 | 1,453 | 1,538 | 2,363 | 1,471 | 1,502 |
| 1700 | 2,374 | 1,890 | 1,461 | 1,546 | 2,384 | 1,479 | 1,510 |
| 1800 | 2,392 | 1,921 | 1,469 | 1,554 | 1,487 | 1,518 | |
| 1900 | 2,407 | 1,942 | 1,476 | 1,562 | 1,494 | 1,526 | |
| 2000 | 2,422 | 1,963 | 1,483 | 1,569 | 1,501 | 1,533 | |
| 2100 | 2,436 | 1,982 | 1,489 | 1,576 | - | - | |
| 2200 | 2,448 | 2,001 | 1,495 | 1,583 | - | - |
Потери теплоты от диссоциации СО2 и Н2О:
qд = 12640 αд VСО2 + 10800 βд VН2О,
где VСО2 и VН2О – соответственно выход диоксида углерода и водяного пара, м3/кг (м3/м3);
αд – степень диссоциации диоксида углерода, %;
βд - степень диссоциации водяного пара, %.
Таблица 1.5
Степень диссоциации диоксида углерода αд , %
| t,оС | Парциальное давление диоксида углерода, кПа | |||||||
| 4,9 | 9,8 | 14,7 | 19,6 | 29,4 | 39,2 | 49,0 | 98,1 | |
| 1500 | 0,5 | 0,5 | 0,45 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 |
| 1600 | 1,9 | 1,5 | 1,35 | 1,3 | 1,1 | 0,95 | 0,85 | 0,7 |
| 1700 | 3,5 | 2,8 | 2,45 | 2,2 | 1,9 | 1,75 | 1,65 | 1,3 |
| 1800 | 5,9 | 4,6 | 4,1 | 3,7 | 3,3 | 3,0 | 2,75 | 2,2 |
| 1900 | 9,5 | 7,6 | 6,65 | 6,1 | 5,3 | 4,9 | 4,5 | 3,6 |
| 2000 | 15,4 | 12,5 | 11,0 | 10,0 | 8,8 | 8,0 | 7,4 | 6,0 |
| 2100 | 22,8 | 18,3 | 16,2 | 14,9 | 13,1 | 12,0 | 11,2 | 9,0 |
| 2200 | 32,5 | 27,0 | 24,0 | 22,0 | 19,8 | 18,0 | 17,0 | 13,5 |
| 2300 | 42,5 | 35,9 | 32,4 | 30,0 | 26,9 | 24,8 | 23,2 | 19,0 |
| 2400 | 53,7 | 46,5 | 42,5 | 39,6 | 35,8 | 33,3 | 31,4 | 26,0 |
| 2500 | 64,1 | 56,9 | 52,7 | 49,7 | 45,4 | 42,6 | 40,4 | 34,0 |
Таблица 1.6
Степень диссоциации водяного пара βд, %
| t,оС | Парциальное давление водяного пара, кПа | |||||||
| 4,9 | 9,8 | 14,7 | 19,6 | 29,4 | 39,2 | 49,0 | 98,1 | |
| 1600 | 0,80 | 0,60 | 0,55 | 0,50 | 0,46 | 0,42 | 0,38 | 0,28 |
| 1700 | 1,35 | 1,08 | 0,92 | 0,80 | 0,73 | 0,67 | 0,62 | 0,50 |
| 1800 | 2,25 | 1,80 | 1,57 | 1,40 | 1,25 | 1,15 | 1,05 | 0,83 |
| 1900 | 3,80 | 3,00 | 2,55 | 2,35 | 2,10 | 1,90 | 1,70 | 1,40 |
| 2000 | 5,35 | 4,30 | 3,70 | 3,40 | 2,95 | 2,65 | 2,50 | 2,00 |
| 2100 | 7,95 | 6,35 | 5,60 | 5,10 | 4,55 | 4,10 | 3,70 | 3,00 |
| 2200 | 11,5 | 9,30 | 8,15 | 7,40 | 6,50 | 5,90 | 5,40 | 4,40 |
| 2300 | 15,4 | 12,9 | 11,4 | 10,4 | 9,10 | 8,40 | 7,70 | 6,20 |
| 2400 | 21,0 | 17,2 | 15,3 | 13,9 | 12,2 | 11,2 | 10,4 | 8,40 |
| 2500 | 26,8 | 22,1 | 19,7 | 18,0 | 15,9 | 14,6 | 13,7 | 11,0 |
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 0оС
| Коэффициент избытка воздуха | Адиабатная температура горения | Теоретическая температура горения |
| 1,0 | 2010 | 1920 |
| 1,1 | 1880 | 1840 |
| 1,2 | 1760 | 1750 |
| 1,3 | 1650 | 1650 |
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 топ-
лива?
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?
