1. Расход воздуха на горение любого топлива

Количество воздуха, необходимого для горения любого топлива, можно определить по количеству кислорода, вступающего в реакции окисления горючих составляющих топлива. Поэтому первым этапом расчёта горения топлива является определение расхода кислорода. Этот расчёт ведут исходя из стехиометрических соотношений реакций окисления компонентов горючей части топлива, их атомных и молекулярных масс. Для твёрдого и жидкого топлив расчёты производят по соотношениям массы веществ, участвующих в реакциях, а для газообразного топлива – по объёмным соотношениям.

В расчётах принимают следующий состав воздуха: азот – 79% и кислород 21% по объёму.(79/21=3,76) Расход кислорода и, следовательно, расход воздуха, отвечающий точным стехиометрическим соотношениям реакций горения топлива, является теоретически необходимым расходом воздуха. Действительное количество воздуха, необходимое для сжигания топлива, всегда больше, чем теоретически необходимое, так как для полноты сжигания почти всегда требуется некоторый избыток воздуха. Отношение действительного расхода воздуха (L_) к теоретически необходимому (L_о) называют коэффициентом избытка воздуха и обозначают символом .

Коэффициент избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива, от способа сжигания, а также от конструкции топливосжигающих устройств. Для газа и мазута коэффициент избытка воздуха  = 1,05…1,20; для пылевидного топлива  = 1,20…1,25. Наименее развитая поверхность взаимодействия с воздухом образуется при сжигании твёрдого кускового топлива. Поэтому коэффициент избытка воздуха в этом случае составляет 1,40…1,80.

На втором этапе расчёта горения топлива определяют количество и состав дымовых газов, образовавшихся при горении. В составе и количестве дымовых газов учитываются избыточный кислород, азот и влага, вносимая воздухом.

При горении газообразного топлива протекают химические процессы соединения горючих газов с кислородом воздуха в определённых объёмах. Негорючие газы, входящие в состав топлива, остаются в продуктах горения. Количество кислорода и образующихся продуктов горения газообразного топлива находят по следующим соотношениям:

С + О₂ = СО₂;

С + 0,5 О₂ = СО;

СО + 0,5 О₂ = СО₂;

СО₂ + 0,5 О₂ = СО₂;

Н₂ + 0,5 О₂ = Н₂О;

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2 Н₂О;

С₂Н₄ +3 О₂ = 2СО₂ + 2 Н₂О;

С₂Н₆ + 3,5 О₂ = 2 СО₂ + 3 Н₂О;

С₃Н₈ + 5 О₂ = 3 СО₂ + 4 Н₂О;

С₄Н₁₀ + 6,5 О₂ = 4 СО₂ + 5 Н₂О;

С₅Н₁₂ + 8 О₂ = 5 СО₂ + 6 Н₂О;

Н₂S + 1,5 О₂ = Н₂О + SО₂.

Из приведённых соотношений видно, что для полного горения 1нм³ СО требуется 0,5 нм³ кислорода, а для полного горения метана (СН₄) необходимо 2 нм³ кислорода. Следовательно, зная количество отдельных горючих газов в 1нм³ газообразного топлива можно подсчитать количество кислорода, а затем воздуха.

1.1. Расчёт горения природного газа

Задание. Определить теплотворность, объём воздуха и количество образующихся продуктов горения при сжигании природного газа во вращающейся печи для обжига керамзитового гравия. Состав газа, %:

СН₄ – 86; С₂Н₆ – 3,8; С₃Н₈ – 0,3; С₄Н₁₀ – 0,3; С₅Н₁₂ – 0,5; Н₂S – 0,8; СО₂ – 1; N₂ – 7,3.

Теплоту сгорания топлива (теплотворность) определяем по формуле:

Q_н = 358,2 СН₄ +637,5 С₂Н₆ +912,5 С₃Н₈ +1186,5 С₄Н₁₀ +1460,8С₅Н₁₂ (1.1)

Q_н = 358,2  86 +637,53,8 + 912,5  0,3 +1186,5  0,3 +1460,8  0,5 =

= 35 474,28 кДж/нм³.

Расчёт горения газа с различными значениями коэффициентов избытка воздуха  представлен в таблице 2. Коэффициент  = 1 используется для расчёта теоретически необходимого расхода воздуха при сжигании 1 нм³ газа. ₁ - коэффициент избытка воздуха в корне факела равный 1,05…1,1. ₂ – коэффициент избытка воздуха на загрузочном конце печи, который принимают в пределах 1,8…2,4.

Проверку правильности расчёта горения топлива следует производить, составляя материальный баланс процесса горения на 100 нм³ газа при заданном значении ₂ (значения ₂ принимаем из таблицы 2). Пример расчёта материального баланса в массовых единицах представлен в таблице 3. Перевод нм³ каждого газа в кг производится путём умножения на их плотности  кг/нм³. Значения плотностей отдельных газов даны в таблице 1.

Таблица 1

Плотности отдельных газов

Газы	Химическая формула	Плотность газов, кг/нм3
Водород (молекулярный) Кислород Азот Оксид углерода Сероводород Диоксид серы Диоксид углерода Углеводороды: Метан Этилен Этан Пропан Бутан Пентан Гексан	Н2 О2 N2 СО Н2S SО2 СО2 СН4 С2Н4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14	0,0898 1,429 1,251 1,250 1,539 2,926 1,977 0,717 1,261 1,356 2,020 2,040 3,218 3,840

Таблица 2