Введение 4

ТОПЛИВО И РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

Методические указания

к выполнению контрольной работы студентов очного и заочного

отделения специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

и студентов очного и заочного отделения специальности

«Безопасность технологических процессов и производств

(в строительстве)»

Тюмень, 2008

Методические указания к самостоятельной работе студентов очного и заочного отделения специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», а также студентов очного и заочного отделения специальности БТП «Безопасность технологических процессов и производств (в строительстве)» - Тюмень, ТюмГАСУ, 2008г., 20 стр.

Рецензент к.т.н., доцент Жилина Т.С.

Составили:__________________к.т.н., доцент кафедры ПТ Погорельцев Е.Г.

__________________к.т.н., доцент кафедры ПТ Полетыкина Т.П.

Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:

Протокол №_____от «__»__________2008г.

Учебно-методический материал утвержден УМС университета:

Протокол №____от «__»____________2008г.

Зав. кафедрой Степанов О.А.

д.т.н., проф.

Тираж 100 экземпляров

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Энергетическое топливо и его классификация 4
2. Состав топлива 6
3. Теплотехнические характеристики топлива 8
4. Понятие условного топлива и приведенные характеристики 10
5. Теплота сгорания топлива 10
6. Расход воздуха, необходимый для горения 13
7. Продукты сгорания топлива 14

8. Энтальпия продуктов сгорания 15

9. Вопросы для самопроверки 19

10. Контрольные задачи, вынесенные на самостоятельную проработку 19

11. ЛИТЕРАТУРА 20

Введение

Одним из основных источников получения тепловой энергии в промышленности, на транспорте и в быту является химическая энергия топлива. В настоящее время около 70% энергии, вырабатываемой и потребляемой на земном шаре, получают за счет химической энергии органического топлива и только 30% - путем использования энергии воды, ветра, солнца, а также ядерной энергии.

Не все горючие вещества могут являться топливом, они должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в качестве топлива должна обосновываться технико-экономическими факторами, которые учитывают имеющиеся запасы, стоимость добычи и транспортировки к потребителю, тепловую ценность топлива (т.е. тепловыделение на единицу массы или объема), реакционную способность (активность соединения с окислителем).

2. Должны легко загораться и содержать небольшое количество негорючих примесей (воды и золы).

3. Необходимо, чтобы у них имелись безвредные и газообразные продукты сгорания, которые легко можно удалить из зоны горения.

4. Процесс горения должен быть легко управляемым.

1. Энергетическое топливо и его классификация.

Энергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически целесообразны использовать для получения в промышленных целях больших количеств тепла. Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.

По способу получения различают природные и искусственные топлива. К природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся: кокс, брикеты угля, древесный уголь; из жидких – мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо; из газовых - газы доменный, генераторный, коксовый, подземной газификации.

Характеристики и состав твердого топлива, в том числе выход летучих, спекаемость кокса, оказывают сильное влияние на процесс горения угля. С увеличением выхода летучих и содержания в них более реакционноспособных газов воспламенение топлива становится легче, а кокс благодаря большей пористости получается более реакционноспособным.

По этим свойствам каменные угли классифицируют. Ископаемые угли подразделяют на три основных типа: бурые, каменные угли и антрацит.

Бурые угли. К бурым углям марки Б относят угли неспекающимся коксам и высоким выходам летучих, обычно более 40%, и с высшей теплотой сгорания рабочей массы без зольного угля

Бурые угли характеризуются высокой гигроскопической и в большинстве случаев высокой общей влажностью, пониженной содержанием углерода и повышенным содержанием кислорода по сравнению с каменными углями. Вследствие сильной балластированности золой (А^р=15 – 25%) и влагой (W^р=20 – 35%) низшая теплота сгорания бурых углей пониженная Q_н^р=10,5-15,9 МДж/кг. По содержанию влаги бурые угли разделены на три группы: Б1 – с содержанием влаги W^р>40%; Б2 – W^р=30-40%; Б3 – W^р<30%. Эти угли на воздухе легко теряют влагу и механическую прочность, превращаясь в мелочь, и склонны к самовозгоранию.

Каменные угли. К каменным углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы беззольного угля

и с выходом летучих более 9%. Основная масса их спекается. Часть их с выходом летучих больше 42-45% (длиннопламенные) и менее 17% (тощие) не спекается.

Каменные угли обладают относительно меньшим балластом: А^р=5-15%, W^р=5-10% и более высокой теплотой сгорания Q_н^р=23-27,23 МДж/кг.

Характеристика каменных углей

Марка углей	Обозначение	Выход летучих веществ на горючую массу, %	Характеристика нелетучего остатка
Длиннопламенный	Д	36 и более	От порошкообразного до слабоспекшегося
Газовый	Г	35 и более	Спекшийся
Газовый жирный	ГЖ	Более 31 (до 37)	То же
Жирный	Ж	24 - 37	«
Коксовый жирный	КЖ	25 - 33	«
Коксовый	К	17 - 33	«
Отощенный спекающийся	ОС	14 - 27	«
Тощий	Т	9 - 17	От порошкообразного до слабоспекшегося
Слабоспекающийся	СС	17-37	От порошкообразного до слабоспекшегося

Угли с высокой степенью углефикации (С^г=90–93%), с малым выходом летучих (V^г=2–9%) и с теплотой сгорания Q_б<34,7 МДж/кг, несколько меньшей, чем у тощих углей, относят к антрацитам.

С увеличением степени углефикации топлива выход летучих веществ уменьшается. Это происходит в основном из-за уменьшения содержания кислорода, что обуславливает увеличение теплоты сгорания на горючую массу.

Угли спекающихся марок К, а также в значительной части марок КЖ и ОС, Г и ГЖ используются для коксохимической переработки. Энергетическими являются топлива марок АШ, Т и Д, бурые угли, отходы обогащения коксующих углей.

Классификация углей по размеру кусков

Наименование	Обозначение	Размер кусков, мм.	Наименование	Обозначение	Размер кусков, мм.
Плита	П	Более 100	Семячко	С	6-13
Крупный	К	50-100	Штыб	Ш	Менее 6
Орех	О	25-50	Рядовой	Р	Не ограничен
Мелкий	М	13-25

Торф. Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (V^г=70%), высокой влажностью (W^р=40-50%), умеренной зольностью (А^с=5-10%), низкой теплотой сгорания Q_н^р=8,38-10,47 МДж/кг. Как наиболее дешевый по добыче широко применяется фрезерный торф.

Сланцы. Зольность сланцев очень большая и доходит до А^р=50-60%, влажность также повышенная W^р=15-20%. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая Q_н^р=5,87-10 МДж/кг при высокой теплоте сгорания горючей массы Q_н^г=27,2-33,5МДж/кг. Высокое содержание водорода в горючей массе Н^г=7,5-9,5% обуславливает большой выход летучих у сланцев и их легкую воспламеняемость.

Мазут. Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок – 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80 °С для мазута 40 - 8,0; для мазута 100 - 15,5; для мазута 200 - 6,5-9,5 град.усл.вязкости (°УВ) при 100°С.

В мазуте содержится углерода 84-86% и водорода 11-12%, содержание влаги не превышает 3-4%, а золы 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания Q_н^р=39,38-40,2 МДж/кг.

По содержанию серы различают малосернистый мазут S^р<0,5%, сернистый - S^р до 2% и высокосернистый S^р до 3,5%; по вязкости – маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25-35°С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80-120°С.

Природный газ. Природные газы представляют собой смесь углеводородов, сероводорода и инертных газов: азота и углекислоты. Основной горючей составляющей природных газов является метан (от 80 до 98%), что обуславливает их высокую теплоту сгорания. Содержание инертных газов: 0,1-0,3% СО₂ и 1-14% N₂.

Теплота сгорания сухого природного газа Q_н^с=33,52-35,61 МДж/м³.

Природный газ в первую очередь расходуют на коммунальные нужды. Поэтому тепловые электростанции несут роль буфера, сглаживающего небаланс между поступлением газа и его расходованием на коммунальные нужды. Этот небаланс особенно увеличивается в зимнее время. В летнее время ряд электростанций работает на природном газе, а зимой на резервном топливе – угольной пыли или мазуте.

Как основное (единственное) топливо газ используется только на электростанциях, расположенных в непосредственной близости от газового месторождения.

2. Состав топлива

Твердые и жидкие топлива представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив позволяет рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива. Соответственно степени углефикации содержание углерода в органической массе топлив увеличивается, а кислорода и азота уменьшается, что способствует повышению энергетической ценности топлива.

Химический состав газообразный топлив, представляющих собой простые смеси, определяют полным газовым анализом и выражают в процентах от их объема.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, - рабочей массой. Элементарный химический состав выражается следующим образом:

Горючие вещества: углерод С, водород Н, сера S, а также кислород О и азот N, находящиеся в сложных высокомолекулярных соединениях. Топливо содержит негорючие минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу А и влагу W.

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разные, а также изменяются при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Для сравнительной теплотехнической оценки сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы «р».

Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью называется воздушно-сухим. Проба такого топлива носит название аналитической пробы топлива. Ее элементарный химический состав записывается:

Сухой называется обезвоженная масса рабочего топлива:

Безводная и беззольная масса топлива называется горючей:

Исключение из горючей массы колчеданной серы приводит к органической массе топлива:

Пересчет состава топлива с одной массы на другую, более обогащенную горючими, производится определением количества отдельных элементов заданной массы в процентах от количества содержащейся в ней массы, на которую делается пересчет.

Так, для пересчета с рабочей на сухую массу следует определить количество отдельных элементов рабочей массы, например углерода (С^р/100, кг/кг), в процентах от количества содержащейся в ней сухой массы ().Следовательно, для пересчета содержания углерода с известной рабочей массы топлива на сухую массу С^с, %, можно записать:

Пользуясь пересчетным коэффициентом , можно определить величину и других составляющих элементов сухой массы по величине соответствующего элемента в рабочей массе.

Состав горючей массы при известном составе рабочей определяется по количеству отдельных элементов рабочей массы, например, водорода Н^р/100, кг/кг, в процентах от количества содержащейся в ней горючей массы:

т.е.

. .

Пересчетный коэффициент с рабочей на органическую массу равняется:

А с рабочей на массу аналитической пробы –

Коэффициенты пересчета состава твердого топлива с одной массы на другую

Заданная масса топлива	Рабочая	Сухая	Горючая
Рабочая
Сухая
Горючая

Элементарный химический состав горючей массы различных

видов твердого и жидкого топлива

Топливо	Состав горючей массы, %
Древесина			42,6	0,5	-
Торф				2,5	0,5
Бурый уголь	64-77	4-6	15-25		0,5-7,5
Каменный уголь: Длиннопламенный Тощий	75-80 88-90	5-6 4-4,5	10-16 3-4	1,5 1,5	0,5-7 1-3
Антрацит	90-93	2-4	2-4		0,5-2
Горючие сланцы	60-75	7-9	10-17		5-15
Мазут	86-88	10-10,5	0,5-0,8	0,5-3

3. Теплотехнические характеристики топлива

Для оценки эффективности использования топлив в парогенераторах и условий надежности работы важными теплотехническими характеристиками топлив являются: содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих, свойства коксового остатка и величина теплоты сгорания. Определение этих характеристик входит в технический анализ топлива. Свойства топлива как горючего материала зависят от его химического состава, который определяется элементарным химическим анализом.

Минеральные примеси топлива

В твердом топливе значительную часть примесей составляют внешние примеси. Поэтому содержание минеральных примесей даже в одном и том же виде топлива может сильно колебаться. Основными минеральными примесями являются: силикаты (кремнезем SiO_2,глинозем Аl₂O₃, глина), сульфиды (преимущественно FeS₂), карбонаты (CaCO₃, MgCO₃,FeCO₃), сульфаты (СаSO₄, MgSO₄), закиси и окиси металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

Балласт топлива

Негорючие минеральные примеси, и влага являются внешним балластом твердого топлива. Своим присутствием минеральные примеси, и влага уменьшают содержание горючей массы в единице массы рабочего топлива; кроме того, при сжигании топлива на испарение влаги затрачивается определенное количество тепла.

По происхождению различают три вида минеральных примесей: первичные примеси – в составе материнского вещества перешли в топливо из углеобразователей; вторичные примеси – внесены в топливо в процессе углеобразования как наносы ветром и водой; третичные примеси – попадают в топливо в виде породы при его добыче от внешнего минерального окружения вырабатываемого пласта.

Зола топлива

Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии.

Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева парогенераторов.

Влага топлива

Влагу топлива подразделяют на две части: внешнюю и внутреннюю. К внешней влаге относятся: подземные и грунтовые воды, влага из атмосферного воздуха, попадающие при добыче топлива, транспортировке и его хранение, а также капиллярная влага. Внешняя влага может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой.

К внутренней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага является составной частью топлива. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе. Гидратная или кристаллизационная влага химически связанна с минеральными примесями топлива. При подсушки испаряется часть коллоидной влаги, но практически не изменяется содержание гидратной влаги. Последняя может быть удаленна лишь при высоких температурах.

Важной технической характеристикой является гигроскопическая влажность топлива, получаемая при подсушки до равновесного состояния в воздушной среде: температура 20 1°С и относительной влажности 65 5%.

Выход летучих и свойства кокса

Одними из наиболее важных теплотехнических характеристик топлив являются величина выхода летучих и свойства коксового остатка.

При нагревании твердых топлив происходит распад термически нестойких сложных, содержащих кислород углеводородистых соединений горючей массы с выделением горючих газов: водорода, углеводородов, окиси углерода и негорючих газов – углекислоты и водяных паров. Выход летучих веществ определяют нагреванием пробы воздушно-сухого топлива в количестве 1 грамм без доступа воздуха при температуре 850°С в течение 7 мин.

У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ различна. По мере увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается.

После отгонки летучих веществ из топлива образуется так называемый коксовый остаток. При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние или расплавляются, порошкообразным проба угля, испытываемого на содержание летучих, может спекаться или вспучиваться.

Способность топлива при термическом разложении образовывать более или менее прочный кокс называется спекаемостью.

4. Понятие условного топлива и приведенные характеристики

Расход топлива на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Q_усл=29,33 МДж/кг.

Пересчет расхода данного топлива в условной производится по соотношению

Понятие условного топлива как общим способом измерения пользуются также при планировании добычи и потребления топлива.

Приведенные характеристики, отражающие содержание влаги и золы в топливе, отнесенные к единице низшей теплоты сгорания его рабочей массы, являются более полными.

Приведенная влажность и зольность W^п и А^п, % кг/МДж, определяются по следующим соотношениям:

Соответственно более полной мерой оценки содержания серы в топливе является приведенная сернистость топлива S^п, % кг/МДж:

5. Теплота сгорания топлива

Всякая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением тепла и соответственно называется экзотермической или эндотермической. Химические реакции, протекающие в процессах горения, преимущественно сильно экзотермические, некоторые реакции, как, например, реакции восстановления углекислоты, являются эндотермическими.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы данного топлива зависит от того, в паровом или жидком состоянии находится влага в продуктах сгорания. Если водяной пар сконденсируется, и вода в продуктах сгорания будет находиться в жидком виде, то тепло парообразования освободится и тогда количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы топлива, получается больше.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1м³ газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания сконденсируются, называется высшей теплотой сгорания топлива.

В условиях температур и парциального давления Н₂О на всем протяжении газового тракта парогенератора водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, не конденсируются и вместе с ними отводятся в атмосферу. Следовательно, некоторая часть тепла, выделившегося при сгорании затрачивается на образование водяного пара и не может быть использована в парогенераторе. Поэтому теплота сгорания получается меньше освобождающейся при горении химической энергии топлива.

Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м³ газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называется низшей теплотой сгорания.

Соотношение между высшей и низшей теплотой сгорания можно написать в следующем виде:

,

где масса влаги, содержащейся в 1 кг топлива, и влаги, образующейся в результате горения водорода топлива,

,

а - теплота парообразования, условно принимаемая равной 2,51 МДж/кг.

После подстановки значений и соотношение для рабочей массы принимает вид:

Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия системы зависит только от состояния в данный момент, поэтому ее изменение при переходе системы от одного состояния к другому зависит от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода.

Применим первый закон термодинамики к закону Гесса, который гласит: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния, но не зависит от пути, по которому протекала реакция.

Этот закон был экспериментально открыт русским академиком Гессом в 1840 г. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакций, в которых она непосредственно не может быть измерена, а также реакций, которые при существующих условиях не происходят.

Так, например, непосредственно калориметрически определить теплоту сгорания углерода в СО по реакции

С+0,5 О₂=СО+Q_I (*).

невозможно, так как при этом одновременно с СО образуется частично и СО_2. Но легко измерить теплоту сгорания окиси углерода Qп и углерода в углекислоту Q_III по реакциям:

СО + 0,5О₂=СО₂+285,8 МДж/моль и

С + О₂=СО₂+409 МДж/моль

По закону Гесса теплота сгорания зависит только от начального и конечного состояния. Поэтому в случае, когда система переходит из начального состояния в конечное через ряд промежуточных состояний, сумма теплот сгорания при отдельных промежуточных реакциях должна равняться теплоте сгорания при непосредственном превращении, т. е.

.

Следовательно, теплота сгорания углерода в СО будет равняться:

.

К тому же результату можно прийти, производя соответствующие уравнению (*) алгебраические действия над термохимическими уравнениями реакций. Так, для рассматриваемого примера можно написать:

-

или

С+0,5 = СО+123,2 МДж/моль.

Используя закон Гесса, можно производить расчеты по определению теплоты

образования химических соединений. Теплотой образования называется тепловой эффект, получающийся при образовании соединения из его элементов. Непосредственное измерение теплоты образования представляет значительные трудности, часто реакции образования соединения совершенно не возможно провести калориметрически.

В натуральных твердых и жидких топливах горючие элементы находятся в различных химических соединениях, по теплоте образования которых нет данных и не представляется возможным учесть все разнообразие их в различных топливах. Поэтому нельзя определить теплоту сгорания топлива как сумму теплот сгорания горючих элементов. Так как теплоту сгорания твердых и жидких топлив невозможно аналитически определить по их элементарному химическому составу, то ее определяют экспериментально с помощью калориметра.

Сущность этого метода заключается в том, что в герметически закрываемом стальном цилиндрическом сосуде, называемом калориметрической бомбой, помещают в среде кислорода под давлением 2,5 – 3 МПа навеску испытуемого топлива в 1 г. Бомбу погружают в водяной калориметр. После наступления в калориметре установившегося теплового состояния при помощи электрического запальника зажигают топливо. По приросту температуры воды в калориметре, замеряемому с точностью до 0,001°С, и массе пробы топлива вычисляют его теплоту сгорания, которая в этом случая называется теплотой сгорания по бомбе Q_б.

В калориметрической бомбе водяные пары, выделяющиеся при сгорании водорода и испарении влаги пробы топлива, конденсируются, выделяя теплоту парообразования. Но вместе с тем в бомбе теплота сгорания получается больше, чем , так как при сгорании пробы топлива в бомбе в среде кислорода протекают экзотермические реакции образования серной и азотной кислоты, которые в топочных условиях не имеют места.

Введя поправку к величине Q_б натеплоту образования в бомбе азотной кислоты и окисление сернистого газа в и растворение последнего в воде, получают высшую теплоту сгорания, МДж/кг.

В формуле Q_б - теплота сгорания по бомбе; 9,43*10^-2 S_ор+к – теплота, выделяющаяся при окислении в бомбе SO₂ до SO₃ и растворение последней в воде; 6,3×10^-6 Q_б - теплота образования азотной кислоты в бомбе для каменных и бурых углей. Для углей марок Т, ПА, А и жидких топлив эта величина равна 4,19×10^-6 Q_б.

При определении теплоты сгорания сланцев и других топлив, содержащих карбонаты, при сжигании их в калориметрической бомбе карбонаты практически полностью разлагаются. Поэтому полученное опытом значение Q_б уменьшают на величину теплоты разложения карбонатов 40,6×10³(СО₂)^р_к, МДж/кг.

При отсутствии опытных данных для приближенного расчета теплоты сгорания твердого и жидкого топлива Q^р_н , МДж/кг, пользуется формулой Менделеева:

,

в которой коэффициенты подобранны экспериментально и несколько отличаются от теплот сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива.

Теплоту сгорания газового топлива определяют в газовом калориметре и относят к 1 м³ сухого газа. При отсутствии опытных данных ее определяют как сумму теплоты сгорания горючих газов, входящих в состав газового топлива, по формуле:

.

В формуле:

СН₄, С₂Н₆ и т.д. – содержание горючих газов в сухом газовом топливе, % по объему;

и т.д. – теплота сгорания соответствующих газов, МДж/м³.

6. Расход воздуха, необходимый для горения

В изолированных, как и совместных параллельных и последовательных реакциях, исходные вещества вступают в химические соединения и образуют новые продукты в определенных, так называемых стехиометрических соотношениях (закон кратных отношений Дальтона).

Согласно этому закону горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении. 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, делением их массовых количеств на значения плотностей получим количество кислорода и выход продуктов сгорания на 1 кг каждый составляющей горючей массы топлива в м³ при давлении 0,1013 МПа (760 мм рт. ст) и 0°С.

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 СО_2.

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 SО_2.

Для водорода:2Н₂ +О₂ =2Н₂О,

4,032 кг Н₂ +32 кг О₂ =36,032 кг Н₂О;

1 кг Н₂О+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 , :

В формуле:

С^р; S_ор+к^р; Н^р; О^р – соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и кислорода в топливе, %; - плотность кислорода, .

В воздухе содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому теоретически необходимое количество воздуха для горения V⁰, , т.е. количество воздуха, которое необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащийся в нем кислород прореагирует, составляет:

Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку приходится подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение количества воздуха V_в, действительно поданного в топку, к теоретически необходимому V⁰ называется коэффициентом избытка воздуха:

При нормальной организации топочного процесса a>1, причем чем совершеннее топка и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится подавать «лишнего» воздуха. В лучших топочных устройствах a=1,02-1,05, в плохих – до 1,3-1,5.

7. Продукты сгорания топлива

Продукты полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива содержат: продукты полного сгорания углерода и серы; азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха; теоретическое количество водяного пара, включающее в себя пар, образующийся при испарении влаги топлива и в результате полного сгорания водорода топлива, пар, вносимый в топку влажным теоретически необходимым количеством воздуха, и пар, используемый иногда для распыления при сжигании мазута; и, наконец, избыточно поданный воздух и находящийся в нем водяной пар.

При определении состава продуктов сгорания с помощью газоанализаторов в отбираемой для анализа пробе газов водяные пары конденсируются. Результаты анализа дают процентное содержание продуктов сгорания от общего объема газов без водяных паров. Поэтому обычно продукты сгорания разделяют на сухие газы и водяные пары. В этих анализах содержание трехатомных газов СО₂ и SО₂ определяется совместно, поэтому их принято обозначать символом RО₂ и подсчитывать по формуле:

Для упрощения расчетов объемы остальных компонентов продуктов сгорания расчленяют на теоретические количества, получающиеся при сжигании 1 кг топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, и их количества в избыточно поданном для горения воздухе.

Теоретический объем азота , м³/кг,

,

где число 0,8 представляет частное от деления единицы на плотность азота, равную 1,251 кг/м³.

Теоретический объем водяных паров , м³/кг,

= ,

В этом выражении первое слагаемое представляет собой объем водяного пара, получаемого при сгорании водорода топлива; второе – объем водяного пара, получаемого при испарении влаги, содержащейся в топливе 0,01W^р/ ; третье – объем водяного пара, вносимого теоретически необходимым количеством воздуха, равный:

,

где и d – соответственно плотность сухого воздуха и водяного пара и содержание влаги в воздухе, обычно принимаемое равным 10 г/кг.

Объем пара, используемого в количестве G_ф, кг/кг, для распыления мазута или дутья, включается в выражение дополнительным слагаемым – величиной 1,24 G_ф.

Объем трехатомных сухих газов в сумме с теоретическим объемом азота и водяного пара составляет теоретический объем продуктов сгорания ,

При сжигании топлива с a>1 действительный объем продуктов сгорания больше теоретического на величину объема избыточно поданного в топку воздуха (a-1)V⁰ и объема водяных паров, содержащихся в нем, 0,0161(a - 1) V⁰. Поэтому общий объем продуктов сгорания составляет V_Г, м³/кг,

Общий объем продуктов сгорания разделяют на объем сухих газов V_С._Г, м³/кг,

и общий объем водяных паров м³/кг,

Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газового топлива также рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих.

Теоретическое количество V⁰ м³/м³, определяется как суммарный его расход на сжигание горючих 1 м³ сухого газового топлива при a=1 по формуле:

При отсутствии данных о составе непредельных углеводородов принимается, что они состоят из С₂Н₄.

Теоретический объем азота , м³/м³,

Объем трехатомных газов , м³/м³,

;

,

где d_г._тл. – влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/ м³.

Обычно в топочных камерах поддерживается небольшое разряжение для предотвращения выбивания газов в помещение котельной. В последующих за топкой газоходах парогенератора устанавливается разрежение, превышающее разрежение в топке на величину сопротивления, рассматриваемого и предшествующих газоходах. Через неплотности в металлической обшивке и обмуровке парогенератора, через лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха в газоходы, находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сгорания, протекающих в них. Величины присосов воздуха в газоходы парогенератора в долях от теоретически необходимого количества воздуха при исправном состоянии обмуровки, обшивки и гарнитуры парогенераторов.

Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для выбранных значений a_т и коэффициентов избытков воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с a_т присосов воздуха в рассматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V⁰. В газоплотных парогенераторах присосы воздуха отсутствуют. Объем газа по газоходам остается одинаковым и рассчитывается по коэффициенту избытка воздуха в топке.