Примеры расчетов топлива и процессов горения

Пример 18. По заданному составу и низшей теплоте сгорания рабочей массы каменного угля: С^г = 78,4 %; Н^г = 5,6 %; S_л^г = 0,4%; N^г = 2,6%; О^г=13%; Q_н^г = 31,02 МДж/кг, золь­ности на сухую массу А^с = 12,2%, влажности рабочего топлива W^p=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;

S_л^п = 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),

Q_р^р = Q_н^р = 24,2 МДж/кг.

Пример 19. Для мазута, состав рабочей массы которого С^р = 83 %; Н^р = 10,4 %; S^р = 2,8 %; О^р = 0,3 %; N^р = 0,4 %; А^р = 0,1%; W^р = 3%,а теплота сгорания Q_н^р = 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 W^p=6%:

Теплоту сгорания мазута при W^p = 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 α_т = 1,2 при температуре воздуха, поступающего в гонку, t_гв = 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

V_г⁰=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, а_ун = 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: q_хим = 0,5 %; q_мех = 5 %. Для камерных топок с твердым шлакоудалением величина потери теплоты с физической теплотой шлака q_{ф.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 і_в = 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 υ_а 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 Q_т = 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 Q_T, 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