Продукты сгорания топлива

Для эффективного горения топлива необходимы определенные условия. В зависимости от условий возможно полное или частичное окисление горючих веществ. При полном окислении образующиеся продукты не могут больше соединяться с окислителем и выделять теплоту. Продуктами полного окисления горючих элементов являются полные оксиды углерода (СО ₂), водорода (Н ₂ О) и серы (SO ₂и в меньшей степени SО ₃). Кроме того, компонентами продуктов сгорания топлива являются азот N ₂, содержащийся в топливе и атмосферном воздухе, и избыточный кислород О ₂, который содержится в продуктах сгорания топлива, потому что процесс горения протекает не идеально и связан с необходимостью подачи большего, чем теоретически необходимо, количества воздуха.

По уравнениям реакций окисления горючих элементов топлива, зная их молекулярную массу, плотность и объемы, можно найти массу и объем продуктов полного сгорания.

При полном сгорании углерода образуется:

С + О ₂ ® СО ₂;

12,01 кг С + 32,00 кг О ₂ ® 44,01 кг СО ₂

или 1 кг С + (32/12,01) кг О ₂ ® (44,01/12,01) кг СО ₂,

что соответствует

1 кг С + 2,67 кг О ₂ ® 3,67 СО ₂.

Для получения продуктов сгорания в объемных единицах полученную массу нужно разделить на плотность каждого газа:

1 С + (2,67/1,428) О ₂ ® (3,67/1,964) СО ₂ или 1 кг С + 1,866 м³ О ₂ ® 1,866 м³ СО ₂,

т. е. при сжигании 1 кг углерода требуется 1,866 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ диоксида углерода.

При неполном сгорании топлива возможны два случая: не все горючие элементы окисляются; при окислении горючих элементов образуются продукты, которые могли бы участвовать в процессе горения. При неполном окислении горючих элементов могут образовываться соединения, например, по реакции

С + ½ О ₂ ® СО.

12 кг С + 16 кг О ₂ ® 28 кг СО; 1 кг С + 1,33 кг О ₂ ® 2,33 кг СО;

1 С + (1,33/1,428) О ₂ ® (2,33/1,250) СО; 1 кг С + 0,933 м³ О ₂ ® 1,866 м³ СО,

т. е. при неполном сгорании 1 кг углерода требуется 0,933 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ оксида углерода.

Неполное окисление горючих элементов связано с недостаточной подачей окислителя, неравномерным поступлением топлива и воздуха во времени, по сечению горелок или по отдельным горелкам, недостаточно хорошим перемешиванием топлива и воздуха. Наибольшее количество теплоты выделяется при полном окислении горючих элементов.

При горении серы образуется:

S + O ₂® SO ₂;

32,06 кг S + 32,00 кг О ₂ ® 64,06 кг SO ₂; 1 кг S + 1 кг О ₂ ® 2 кг SO ₂;

1 кг S + (1/1,428) О ₂ ® (2/2,858) SO ₂; 1 кг S + 0,7 м³ О ₂ ® 0,7 м³ SO ₂,

т. е. при полном сгорании 1 кг серы необходимо 0,7 м³ кислорода и образуется 0,7 м³ сернистого газа.

При окислении – горении водорода образуется:

2 Н ₂+ О ₂® 2 Н ₂ О;

4,034 кг Н ₂+32,00 кг О ₂® 36,034 кг Н ₂ О; 1 кг Н ₂+ 8 кг О ₂® 9 кг Н ₂ О;

1 кг Н ₂+ (8/1,428) кг О ₂® (9/0,804) кг Н ₂ О; 1 кг Н ₂+ 5,6 м³ О ₂® 11,2 м³ Н ₂ О;

т. е. при полном сгорании 1 кг водорода требуется 5,6 м³ кислорода и образуется 11,2 м³ водяного пара.

Расход воздуха на горение определяет полноту сгорания топлива в топке котла. Минимальное количество воздуха, достаточное для полного сгорания единицы массы (объема для газа) топлива, называют теоретически необходимым количеством воздуха V^о. Учитывая, что в 1 кг топлива содержится С /100 кг углерода, Н /100 кг водорода, S /100 кг серы летучей и О /100 кг кислорода, в пересчете на рабочее топливо суммарное количество необходимого для горения кислорода, кг/кг, составляет:

. (2.8)

При нормальных условиях 1 м³ кислорода весит 1,428 кг, а в воздухе содержится около 21 % кислорода и 79 % азота. Разделив каждый из коэффициентов в выражении (2.8) на величину 1,428·0,21·100»30, можно определить количество теоретически необходимого воздуха для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

, (2.9)

где С, S, Н и О – массовые доли горючих элементов и кислорода в рабочем топливе, %.

В случае сжигания газообразного топлива количество теоретически необходимого воздуха находят, исходя из стехиометрических уравнений реакций горения компонентов газообразного топлива. При этом принимают, что объем одного моля компонентов, как и у идеальных газов, одинаков. Тогда при горении:

оксида углерода

СО + 0,5 О ₂= СО ₂; 1 м³ СО + 0,5 м³ О ₂= 1 м³ СО ₂;

водорода

Н ₂+0,5 О ₂= Н ₂ О; 1 м³ Н ₂+0,5 м³ О ₂= 1 м³ Н ₂ О;

сероводорода

H ₂ S +1,5 O ₂= H ₂ O + SO ₂; 1 м³ H ₂ S + 1,5 м³ О ₂= 1 м³ Н ₂ О + 1 м³ SO ₂;

углеводородов

С_mH_n +(m+n /4) O ₂= mCO ₂ + ½ n Н ₂ О; 1 м³ С_mH_n +(m+n /4) м³ O ₂= m м³ CO ₂ + ½ n м³ Н ₂ О.

Таким образом, исходя из реакций полного горения составляющих газообразного топлива, следует, что каждый 1 м³ СО требует 0,5 м³ О ₂ и после реакции образуется 1 м³ СО ₂.

Количество теоретически необходимого воздуха для сгорания 1 м³ газообразного топлива, м³/м³:

. (2.10)

Для полного сгорания топлива в топочные устройства подводят большее, чем теоретически необходимо, количество воздуха. Отношение действительно поступившего количества воздуха V_д к теоретически необходимому количеству V^о называют коэффициентом избытка воздуха a:

. (2.11)

Величина коэффициента избытка воздуха зависит от типа топочных устройств и вида топлива: для газообразного топлива a колеблется от 1,05 до 1,15; для мазута – 1,03< a <1,2; для твердого топлива в пылевидном состоянии – 1,2< a <1,3; для твердого топлива, сжигаемого в слоевых топках, – 1,5< a <1,7.

При полном сгорании топлива дымовые газы содержат продукты полного окисления горючих элементов топлива – углерода, водорода и серы – СО ₂, Н ₂ О и SО ₂; азот топлива и внесенный с воздухом N ₂; неиспользованный при горении кислород воздуха О ₂; водяной пар Н ₂ О, полученный за счет окисления водорода топлива, испарения влаги, содержащейся в топливе, и внесенный с влажным воздухом. При паровом распыливании жидкого топлива также вносится некоторое количество Н ₂ О в продукты сгорания.

Различают теоретический объем продуктов сгорания при a = 1 и действительный – при a > 1.

Полный объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлива при коэффициенте избытка воздуха, большем единицы, м³/кг, составляет:

. (2.12)

Продукты сгорания, м³/кг, принято подразделять на сухие газы и водяные пары:

. (2.13)

При полном сгорании 1 кг углерода образуется 1,866 м³ СО ₂, а 1 кг серы – 0,7 м³ SO ₂, тогда при сгорании топлива объем трехатомных газов, м³/кг, составляет:

. (2.14)

При сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (a = 1) содержание кислорода в сухих дымовых газах будет равно нулю, их объем – минимальным или теоретическим и будет состоять из объема трехатомных газов и азота (из объемов азота, содержащегося в топливе, и азота, внесенного с воздухом).

Объем азота, м³/кг, при a = 1 с учетом входящего в твердое или жидкое топливо N^p /100 равен:

. (2.15)

Последним слагаемым можно пренебречь.

Теоретический объем сухих газов, полученных от сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг, составляет:

. (2.16)

Полный объем сухих газов будет больше теоретического на количество избыточного воздуха (a –1) V^о, м³/кг. Следовательно, полный объем сухих дымовых газов, м³/кг, равен:

. (2.17)

При сжигании топлив в продуктах сгорания, кроме сухих газов, содержатся водяные пары. Теоретический объем водяных паров в дымовых газах от сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива , м³/кг, равен сумме объемов водяных паров, полученных в результате окисления водорода топлива , образовавшихся при испарении влаги топлива , а также влаги, содержащейся в воздухе , и влаги, вносимой в топку в виде водяных паров (например, для распыливания жидкого топлива через форсунки):

(2.18)

или

, (2.19)

где 9 – количество воды, полученной при окислении 1 кг водорода, кг; = 0,804 кг/м³ – плотность 1 кг водяных паров при нормальных условиях; = 1,293 кг/м³ – плотность воздуха; d – количество влаги, содержащейся в воздухе, принимают 10 г на 1 кг воздуха; W^ф – количество влаги, вносимой в топку в виде водяных паров, при расходе, кг/кг, топлива.

Действительный объем водяных паров в дымовых газах при сжигании твердого или жидкого топлива, м³/кг, будет больше за счет влаги, внесенной с избыточным воздухом:

. (2.20)

Полный объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлива, м³/кг, может быть определен из выражения

. (2.21)

Состав продуктов сгорания газообразного топлива может быть найден аналогично. Пользуясь уравнениями горения для составляющих газообразного топлива, объем трехатомных газов, м³/м³, можно определить по выражению

. (2.22)

Объем азота в продуктах сгорания газа равен

, (2.23)

а объем сухих газов составляет

. (2.24)

Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания газа

, (2.25)

где d_г.т – влажность газообразного топлива, г/м³.

Суммарный теоретический объем продуктов сгорания топлива, м³/м³, равен:

. (2.26)

Полный (действительный) объем сухих газов, м³/м³, можно определить из выражения

, (2.27)

а действительный объем, м³/м³, дымовых газов равен:

. (2.28)

В отопительных и промышленных котельных установках движение газов осуществляется за счет разрежения, создаваемого дымовой трубой или дымососом: топочное устройство и газоходы находятся под разрежением (давлением, меньшим давления атмосферного воздуха). В газоходы и топочное устройство при наличии в них отверстий и неплотностей из атмосферы поступает воздух, который называют присосом. За счет присосов избытки воздуха от топочного устройства к дымовой трубе по тракту возрастают. Величины присосов в газоходы и элементы котельной установки приведены в табл. 2.2.

В тех случаях, когда установка работает под наддувом, т. е. под давлением, несколько превышающим атмосферное, избытки воздуха по газоходам остаются постоянными и равными избытку в топке.

При небольших давлениях, порядка 3 – 4 кПа (>400 кгс/м²), или разрежениях можно считать , где р_с.г, – парциальное давление соответственно сухих газов и водяных паров, кПа.