2.5. Аналитический расчёт горения топлива

Расчеты необходимы для определения расхода воздуха на горение, количества и состава продуктов горения и температуры горения.

Для расчетов используют следующие соотношения и величины:

1) отношение объемного содержания азота к кислороду в обычном воздухе, не обогащенного кислородом, ;

2) молекулярную массу химических элементов для водорода она приближенно равна 2, для азота — 28, кислорода и серы — 32;

3) объемы воздуха и продуктов горения при нормальных условиях (температура 0°С, давление 101,3 кПа).

Рассмотрим состав жидкого топлива

Горючими составляющими являются углерод, водород и сера. При использовании сухого воздуха реакции полного горения этих составляющих имеют вид

;

При горении 1 моля углерода и серы расходуется по 1 молю кислорода. При горении 2 молей водорода расходуется также 1 моль кислорода. С каждым молем кислорода вносится в печь молей азота. Азот переходит в продукты горения. Поэтому, например, при горении 1 моля углерода получается 1моль углекислого газа и 3,76 моля азота. При горении углерода по этой реакции выделяется количество теплоты . При горении водорода образуется свой состав продуктов горения и выделяется иное количество теплоты.

На горение 1 моля углерода затрачивается 1 кмоль кислорода объемом 22,4 м³. Если надо рассчитать расход кислорода на 1 кг углерода, то объем 1 кмоля кислорода делят на молекулярную массу углерода, равную 12. Поэтому на 1 кг С расходуется 22,4/12 = = 1,867 м³/кг O₂. Рассуждая аналогично, получим, что на горение 1 кг Н затрачивается 22,4/(2·2) = 5,5 м³ O₂ (произведение в знаменателе означает, что в реакции горения принимают участие две молекулы водорода с молекулярной массой 2). На горение 1 кг S расходуется 22,4/32 = 0,7 м³ O₂.

Выше был определен объем кислорода, который нужно подать на горение 1 кг углерода, водорода и серы. Кислород нужно подавать с воздухом. Но в состав топлива, выраженного в % по массе, входит какое-то количество килограммов свободного кислорода. Определим его в м³ следующим образом. Если бы имелось 32 кг кислорода, то это соответствовало бы объему 22,4 м³, но масса кислорода — O^р, тогда, составив пропорцию

32 — 22,4

O^p —x,

получим

м³.

Кислород топлива уменьшает потребность в кислороде воздуха.

Любое топливо — это смесь горючих элементов, поэтому общий расход кислорода (воздуха) определяется суммированием его расхода для отдельных элементов.

Определим расход кислорода, необходимого для полного горения 1 кг мазута с учетом кислорода топлива, м³/кг:

.

Теоретический расход воздуха для полного горения 1 кг топлива, м³/кг:

Состав газообразного топлива

Как и ранее, запишем все реакции горения:

;

;

;

.

По аналогии с первой реакцией запишем реакцию горения углеводородов:

.

В рассматриваемом случае можно воспользоваться объемным соотношением горючего и кислорода. Видно, например, что на горение 1 м³ СО или Н₂ необходимо израсходовать 0,5 м³ О₂. Для сероводорода расход кислорода на 1 м³ газа увеличивается в 3 раза. Для горения 1 м³ углеводорода типа в соответствии с реакцией горения, например, метана нужно подать м³ О₂.

Теоретически необходимый расход кислорода для горения единицы топлива, м³/м³

.

В это выражение содержания горючих составляющих и кислорода подставляют в %.

Теоретический расход воздуха, м³/м³

Действительный расход воздуха, необходимый для полного сжигания топлива, всегда превышает теоретический. Это объясняется несовершенством перемешивания топлива с воздухом. Разность между теоретически необходимым и действительным расходом воздуха будет тем меньше, чем лучше перемешано топливо с воздухом в топливосжигающем устройстве или в рабочем пространстве печи. Очевидно, что газ легче перемешивать с воздухом, чем мазут. Поэтому при сжигании мазута требуется больший избыток воздуха, чем при сжигании газа. Для уменьшения избытка воздуха мазут обычно сжигают в распыленном виде, что улучшает перемешивание топлива с воздухом.

Отношение действительного расхода воздуха к теоретически необходимому называют коэффициентом расхода воздуха:

, или

где; и —действительный и теоретический расходы воздуха, м³/кг или м³/м³.

Коэффициент расхода воздуха зависит от вида топлива, кон­струкции топливосжигающего устройства (горелки или форсунки) и температуры подогрева воздуха и газа. Так, например, мазут сжигают с избытком воздуха, соответствующим коэффициенту а = 1,15, а газ с .