И выход продуктов сгорания
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):
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 м 3 при давлении 0,1013 МПа (760 мм рт. ст.) и О о С.
12,01 кг С + 32 кг О2 = 44,01 кг СО2;
1 кг С +1,866 м 3 О2 = 1,866 м 3 СО2.
32,06 кг S + 32 кг О2 =64,06 кг SО2;
1 кг S + 0,7 м 3 О2 = 0,7 м 3 SО2.
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 Vо2 о , м 3 /кг:
Vо2 о = 0,01(1,866С р + 5,55Н р + 0,7S р (ор+п) – 0,7О р ).
В воздухе содержится кислорода примерно 21% по объему. Поэтому количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива V 0 , м 3 /кг, составляет:
V 0 = Vо2/0,21 = 0,0889 (С р + 0,375 Sор+п) +0,265Н р – 0,0333О р .
Теоретический выход продуктов сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива (1 м 3 газообразного топлива), м 3 /кг (м 3 /м 3) ,
Для упрощения теплотехнических расчетов с учетом того, что Vsо2 значительно меньше Vcо2, выход сухих трехатомных газов суммируют:
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, м 3 /кг,
теоретический выход азота, м 3 /кг,
теоретический выход водяных паров, м 3 /кг,
VН2О 0 = 0,111Н р + 0,0124W р + 0,00124dвV о + 1,24 Gф,
где dв – содержание влаги в воздухе, г/м 3 , обычно принимаемое равным 13 г/м 3 ;
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, м 3 /м 3 ,
где dг – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м 3 сухого газа (при t = 10 о С принимают dг = 10 г/м 3 ).
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:
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
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
определяется коэффициент избытка воздуха.
Выход продуктов полного сгорания при α > 1 на 1 кг твердого и жидкого топлива (на 1 м 3 газообразного топлива), м 3 /кг (м 3 /м 3 ),
Выход водяных паров, м 3 /кг (м 3 /м 3 ),
VН2О = VН2О 0 + 0,0161 (α – 1)V 0 .
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 о С, имеют место следующие реакции диссоциации
Заметная диссоциация диоксида углерода СО2 начинается при температурах выше 1500 о С, а водяного пара Н2О – выше 1600 о С.
При температурах, превышающих 2200 о С, диссоциации подвергаются молекулярные кислород, водород и азот:
При температуре выше 2000 о С становится заметным окисление атмосферного азота, которое протекает по реакции
При сжигании углеводородных топлив в воздухе, когда температура горения не превышает 2200 о С, температуру горения рассчитывают с учетом диссоциации только СО2 и Н2О.
Температуру горения для реальных условий определяют из теплового баланса процесса горения:
где Qн р – 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 м 3 ) топлива:
где — Св и Ст — теплоемкости соответственно воздуха, кДж/(м 3 ∙К), и топлива кДж/(кг∙К) или кДж/(м 3 ∙К);
tв и tт — температуры соответственно воздуха и топлива, о С;
Vi – выход продуктов сгорания, м 3 ;
Ci — теплоемкость отдельных компонентов продуктов сгорания, кДж/(м 3 ∙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):
Ст = 4,19 W р /100 + Сс(100 — W р )/100;
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/(м 3 ∙К) определяется по формуле:
где СН2, ССО, СcmНn, и т.д. — средние изобарные теплоемкости в кДж/(м 3 ∙К) соответствующих индивидуальных газов в интервале от 0 о С 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.
Средняя объемная теплоемкость горючих газов в кДж/(м 3 ∙К) при постоянном давлении
| tт, о С | 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, о С:
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 2200 о С, 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:
где Vi и Ci – выход и теплоемкость продуктов сгорания без учета их диссоциации;
qд – теплота, затрачиваемая на диссоциацию, кДж/кг (кДж/м 3 ).
Средняя объемная теплоемкость воздуха и продуктов сгорания в интервале температур от 0 до 2200 0 С при постоянном давлении, кДж/(м 3 ∙К)
| t, о С | 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:
где VСО2 и VН2О – соответственно выход диоксида углерода и водяного пара, м 3 /кг (м 3 /м 3 );
αд – степень диссоциации диоксида углерода, %;
βд — степень диссоциации водяного пара, %.
Степень диссоциации диоксида углерода αд , %
Источник
Температура горения
В теплотехнике различаются следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и действительную (расчетную). Жаропроизводительность tx — максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха а = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:
где QH — низшая теплота сгорания газа, кДж/м 3 ; IVcp — сумма произведений объемов диоксида углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 м3 газа (м 3 /м 3 ), и их средних объемных теплоемкостей при постоянном давлении в пределах температур от 0°С до tx (кДж/(м 3 *°С).
В силу непостоянства теплоемкости газов жаропроизводительность определяется методом последовательных приближений. В качестве начального параметра берется ее значение для природного газа (=2000°С), при а = 1,0 определяются объемы компонентов продуктов сгорания, по табл. 8.3 находится их средняя теплоемкость и затем по формуле (8.11) считается жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задается другая температура и расчет повторяется. Жаропроизводительность распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведена в табл. 8.5. При сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 вес. % влаги, жаропроизводительность снижается на 25-30°С.
Калориметрическая температура горения tK — температура, определяемая без учета диссоциации водяных паров и диоксида углерода, но с учетом фактической начальной температуры газа и воздуха. Она отличается от жаропроизводительности tx тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха а принимаются по их действительным значениям. Определить tK можно по формуле:
где qфиз — теплосодержание (физическая теплота) газа и воздуха, отсчитываемое от 0°С, кДж/м 3 .
Природные и сжиженные углеводородные газы перед сжиганием обычно не нагревают, и их объем по сравнению с объемом воздуха, идущего на горение, невелик.
Таблица 8.3. Средняя объемная теплоемкость газов, кДж/(м 3 •°С)
Источник