Объем воздуха. Объем и масса продуктов сгорания

Объем воздуха, объем и масса продуктов сгорания определяются на 1 кг твердого, жидкого или 1 м³ сухого газообразного топлива при нормальных условиях [1].

Объем воздуха, необходимый для сгорания топлива. Теоретический (при коэффициенте избытка воздуха в топке ) объем сухого воздуха (м³/кг), необходимый для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, определяется по формуле

 

                                                                        (3.1)

 

Теоретический объем воздуха (м³/м³), необходимый для полного сгорания 1 м³ сухого газообразного топлива, определяется по формуле

 

.                   (3.2)

 

В формуле 3.1 содержание элементов топлива выражается в процентах на 1 кг массы топлива, а в (3.2) содержание горючих газов CO, H₂, H₂S, CH₄ и т.д. - в процентах по объему.

Для сгорания смеси двух твердых, жидких или газообразных топлив теоретический объем сухого воздуха определяется по формуле

 

                                                                                                     (3.3)

 

где b₁ - массовая доля одного из топлив в смеси.

Действительный объем воздуха (м³/кг, м³/м³), поступающий в топку, определяется по формуле

 

                                                                                                                          (3.4)

 

где a_т - коэффициент избытка воздуха в топке.

Состав и объем продуктов сгорания топлива. При полном сгорании топлива продукты сгорания содержат следующие газы: CO₂, SO₂, N₂, O₂ и пары воды H₂O, т.е.

CO₂ + SO₂ + N₂ + O₂ + H₂O = 100%.

Полный объем продуктов сгорания V_г (м³/кг) представляет собой сумму сухих газов V_с.г и водяных паров

 

                                                                                                                  (3.5)

 

при этом

 

 

где  - объем трехатомных газов, м³/кг;  - объем двухатомных газов, м³/кг.

Для твердых (кроме сланцев) жидких топлив теоретические объемы (м³/кг) продуктов полного сгорания при a_т = 1 определяется по следующим формулам:

объем двухатомных газов

 

                                                                                                       (3.6)

 

объем трехатомных газов

 

                                                                                            (3.7)

 

объем сухих газов

 

                                             (3.8)

 

объем водяных паров

 

                                                                              (3.9)

 

полный объем продуктов сгорания

 

 

Для сланцев объем трехатомных газов определяется по формуле

 

 

где k - коэффициент разложения карбонатов: при слоевом сжигании k = 0,7, при камерном - 1,0.

Для газообразного топлива теоретические объемы продуктов сгорания (м³/м³) при a_т = 1 определяют по следующим формулам:

объем двухатомных газов

 

 

объем трехатомных газов

 

 

объем сухих газов

 

 

объем водяных паров

 

где d_г - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³;

полный объем продуктов сгорания

 

 

Для твердых (кроме сланцев), жидких и газообразных топлив объемы полного сгорания (м³/кг) при a_т > 1 определяется по формулам:

объем сухих газов

 

                                                           (3.10)

 

объем водяных паров

 

                                                                                      (3.11)

 

полный объем продуктов сгорания определяется по формуле (3.5).

Для сланцев полный объем продуктов сгорания (м³/кг) при a_т > 1 равен

 

 

Содержание (%) CO₂, SO₂ и RO₂ в сухих газах при полном сгорании топлива определяется по следующим формулам:

 

                                                                                                              (3.12)

                                                                                                               (3.13)

                                                                                                              (3.14)

 

Максимальное содержание (%) трехатомных газов  в сухих газах при полном сгорании топлива следующее:

 

 

где b - характеристика топлива:

для твердого и жидкого

 

 

для газообразного

 

 

Содержание (%) азота N₂ и кислорода O₂ в сухих газах при полном сгорании топлива следующее:

 

 

Масса продуктов сгорания:

для твердого (кроме сланцев) и жидкого топлива (кг/кг)

 

 

для газообразного топлива (кг/м³)

 

 

где  - плотность сухого газа, кг/м³;  - содержание влаги в топливе, кг/м³;

для сланцев (кг/кг)

 

                                                             (3.15)

 

где  - расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов: при слоевом сжигании K = 0,7, при камерном - 1,0.

Расчетное содержание (%) золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов

 

                                                                                                (3.16)

 

Для твердых топлив концентрация золы в продуктах сгорания определяется по формуле

 

                                                                                                                    (3.17)

 

где a_ун - доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания.

 

Коэффициент избытка воздуха в топке. При полном сгорании топлива коэффициент избытка воздуха в топке определяется по формуле

 

где O₂ и N₂ - содержание кислорода и азота в газах, %.

 

Задачи

3.1. Определить объем продуктов полного сгорания на выходе из топки, а также теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сгорания 1 м³ природного газа Ставропольского месторождения следующего состава:  коэффициент избытка воздуха в топке

Решение: Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м³ топлива, определяется по формуле (3.2)

 

 

Действительный объем воздуха определяется по формуле (3.4)

 

 

Объем сухих газов при  определяется по формуле (3.10)

 

 

Объем водяных паров при  определяется по формуле (3.11)

 

 

Объем продуктов полного сгорания определяется по формуле (3.5)

 

 

3.2. Определить на выходе из топки объем продуктов полного сгорания 1 кг карагандинского угля марки К следующего состава:  Коэффициент избытка воздуха в топке 1,3.

Решение: Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле (3.1)

 

 

 Объем сухих газов при  определяется по формуле (3.10)

 

 

Объем водяных паров при  определяется по формуле (3.11)

 

Объем продуктов полного сгорания определяется по формуле (3.5)

 

 

3.3. Определить теоретический и дейcтвительный объемы воздуха, необходимые для сжигания 1000 кг антрацита следующего элементарного состава: . Коэффициент избытка воздуха в топке = 1,2.

Ответ: V = 7200 м ; V = 8640 м .

 

3.4. Определить объем воздуха, необходимый для сжигания 800 кг/ч ленгерского угля марки Б3 следующего состава:  и 500 кг/ч экибастузского угля марки СС, имеющего следующий состав:  при коэффициентах избытка воздуха в топочной камере соответственно  = 1,4 и 1,3.

Ответ:

 

3.5. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сжигания 2000 м /ч природного газа следующего состава: СО = 0,5%; CH = 92,8%; C H  = 2,8%; C H  = 0,9%; C H  = 0,4%; C H  = 0,1%; N  = 2,5% и 1000 м /ч природного газа, имеющего следующий состав: CO  = 0,1% CH  = 89,7%; C H  = 5,2%; C H  = 1,7%; C H  = 0,5%; C H  = 0,1%; N  = 2,7% при коэффициентах избытка воздуха в топочной камере соответственно  = 1,15 и 1,1.

Ответ: V  = 29360 м /ч; V  = 33264 м /ч.

 

3.6. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для слоевого сжигания 2000 кг кузнецкого угля марки D, если известен состав его горючей массы:  зольность сухой массы  и влажность рабочая  Коэффициент избытка воздуха в топочной камере =1,3.

Ответ: V = 12040 м , V = 15652м .

 

3.7. Определить теоретический объем воздуха, необходимый для слоевого сжигания 1500 кг ленинградских сланцев, если известен состав их горючей массы: ;  и .

Ответ: V = 3765 м .

 

3.8. В топке сжигается смесь, состоящая из кг кузнецкого угля марки D следующего состава: С  = 58,7%; Н  = 4,2%; (S )  = 0,3%; N  = 1,9%; О  = 9,7%; А  = 13,2%; W  = 12,0% и кузнецкого угля марки Г, имеющего следующий состав: С  = 66,0%; Н  = 4,7%; (S )  = 0,5%; N  = 1,8%; O  = 7,5%; A  = 11,0%; W  = 8,5%. Определить теоретический объем сухого воздуха, необходимый для сгорания смеси, используя формулу (3.3).

Ответ:  = 32700 м .

 

3.9. В топке сжигается воркутинский уголь марки Ж следующего состава: С  = 59,6%; Н  = 3,8%; S  = 0,8%; N  = 1,3%; O  = 5,4%; A  = 23,6%; W  = 5,5%. Определить объем сухих газов при полном сгорании топлива. Коэффициент избытка воздуха в топке =1,3.

Ответ: V  = 7,84 м /кг.

 

3.10. Определить объем водяных паров при полном сгорании в слое 10 кг/ч фрезерного торфа следующего состава: С  = 24,7%; Н  = 2,6%; S  = 0,1%; N  = 1,1%; O  = 15,2%; A  = 6,3%; W  = 50,0% при коэффициенте избытка воздуха в топке: 1)  = 1,35; 2) =1,4.

Ответ: 1)  = 963 м /ч; 2)  = 965 м /ч.

 

3.11. В топке котла сжигается 600 м природного газа Угерского месторождения следующего состава: CO  = 0,2% CH  = 98,5%; C H  = 0,2%; C H  = 0,1%; C H  = 0,1%; N  = 1,0%. Определить объем продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха =1,15.

Ответ: V =7210 м .

 

3.12. Используя формулу (3.8), определить объем сухих газов, получаемых при полном сгорании в слое 800 кг кузнецкого угля марки D, если известен состав его горючей массы:  зольность сухой массы  и влажность рабочая  Коэффициент избытка воздуха в топочной камере =1,3.

Ответ: = 6141 м .

 

3.13. Определить объем двух- и трехатомных газов и содержание CO и SO в сухих газах получаемых при полном сгорании 1 кг донецкого угля марки Т следующего состава: , если известно, что дымовые газы при полном сгорании содержат RO  = 18,8%.

Решение: Объем трехатомных газов определяется по формуле (3.7)

 

 

Объем сухих газов находим по формуле (3,14)

 

 

Объем двухатомных газов находим так:

 

  

 

Содержание CO  в сухих газах определяем по формуле (3.12)

 

 

Содержание SO в сухих газах находим по формуле (3.13)

 

 

 

3.14. Определить объем трехатомных газов и содержание в них CO и SO , получаемых при полном сгорании 1 кг ткибульского угля марки Т следующего состава: , если известно, что дымовые газы содержат .

Ответ: V  = 0,86%; CO  = 18,5%;  SO  = 0,2%.

 

3.15. Определить объем сухих дымовых газов, получаемых при сжигании 1000 кг фрезерного торфа следующего состава: , если известно, что дымовые газы при полном сгорании топлива содержат . Коэффициент избытка воздуха в топочной камере =1,3.

Ответ: V = 3066 м .

 

3.16. В топке сжигается  кг/ч донецкого угля марки Г следующего состава: . Определить, на сколько был увеличен объем подаваемого в топку воздуха, если известно, что при полном сгорании топлива содержание RO  в дымовых газах снизилось с 16 до 14.

Ответ: =5949 м /ч.

 

3.17. В топке котла во время испытаний сожжено кг/ч кузнецкого угля марки D следующего состава: . В течение первой половины испытаний в продуктах полного сгорания топлива получено RO  = 18%, а в течение второй половины испытаний - RO  = 15%. Определить, какой объем воздуха добавлен в топку между первой и второй половинами испытаний.

Ответ: V = 4650 м /ч.

 

3.18. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг ленинградских сланцев следующего состава: , . Коэффициент избытка воздуха в топочной камере =1,3.

Ответ: V = 2,96 м /ч.

 

3.19. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 2  кг/ч карагандинского угля марки К следующего состава: , если известно, что дымовые газы содержат RO = 18%.

Ответ: V = 12560 м /ч.

 

3.20. Определить максимальное содержание трехатомных газов в продуктах полного сгорания 1 кг донецкого угля марки А следующего состава: .

Ответ: RO = 20,2%.

 

3.21. В топке сжигается смесь из 2  кг/ч донецкого угля марки Г следующего состава:  и 3×10³ кг донецкого угля марки Г, имеющего следующий состав:  Определить объем газов, получаемый при полном сгорании смеси, если коэффициент избытка воздуха в топке =1,3.

Ответ: V = 37480 м /ч.

 

3.22. В топке котла сжигается 1 кг артемовского угля марки Б3 следующего состава: . Определить объем продуктов сгорания и содержание в них кислорода О , если .

Ответ: V = 4,16 м /ч; О = 1,3%.

 

3.23. В топке котла сжигается 1 кг анадырского угля марки Б3 следующего состава: . Определить коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если .

 

3.24. В топке котла сжигается донецкий уголь марки Т следующего состава: . Определить содержание азота N  в продуктах сгорания и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если .

 

3.25. Определить объем сухих газов и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании природного газа следующего состава: СО = 1,2%; CH = 91,9%; C H = 2,1%; C H = 1,3%; C H = 0,4%; C H = 0,1%; N = 3,0%, если известно, что продукты сгорания содержат RO = 16% и О = 4,0%.

Ответ: V =6,44 м / м ; =1,23.

 

3.26. Определить массу продуктов сгорания и концентрацию золы в продуктах, получаемых при полном сгорании 1 кг ленинградских сланцев следующего состава: , , если известно, что доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания, = 0,95. Коэффициент избытка воздуха в топке = 1,3.

Решение: Расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов определяем по формуле (3.16)

 

 

Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, находим по формуле (3.1)

 

 

Масса продуктов сгорания определяется по формуле (3.15)

 

 

Концентрация золы в продуктах сгорания определяется по формуле (3.17)

 

  

 

3.27. Определить массу продуктов сгорания и концентрацию золы в продуктах сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг карагандинского угля марки К следующего состава: , если известно, что доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания, = 0,85. Коэффициент избытка воздуха в топке = 1,3.

Ответ: М = 9,25 кг/кг; = 0,0253.

 

3.28. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 1 м  природного газа следующего состава: CO = 0,2% CH = 98,2%; C H = 0,4%; C H = 0,1%; C H = 0,1%; N = 1,0%, если известно, что плотность сухого газа - 0,728 кг/м . Коэффициент избытка воздуха в топке = 1,15.

Ответ: М = 15 кг/ м .

 

Контрольные вопросы

 

1. Запишите уравнение для расчета теоретического количества сухого воздуха при сгорании топлива.

2. Что происходит при поступлении на горение только теоретического количества воздуха?

3. Дайте определение коэффициента избытка воздуха .

4. Как влияет коэффициент избытка воздуха на длину факела?

5. Запишите основные газы, входящие в состав продуктов горения.

6. Запишите уравнение для расчета массы продуктов сгорания для твердого и газообразного топлива.