Материальный баланс процесса горения

При горении топлива расходуется кислород воздуха и образуются продукты сгорания и зола. Материальный баланс процесса горения обычно проводят при тепловых расчетах топочных устройств с целью уточнения их технико-экономических характеристик. При этом баланс процесса горения в топочном устройстве составляется для газовоздушного тракта с учетом расходов воздуха и топлива , идущих на горение. При расчете учитываются присосы воздуха в газовоздушном тракте å , образующиеся продукты сгорания , и образующиеся твердые шлак и зола å . Расчет расходов веществ ведут обычно на единицу времени.

Для топочного устройства, работающего под разрежением и показанного на рис. 4.1, материальный баланс по газовоздушному тракту можно записать в виде:

. (4.1)

В случае, когда процесс горения в топочном устройстве идет под избыточным давлением, материальный баланс по газовоздушному тракту можно записать в виде:

, (4.2)

где – количество воздуха, вытесненного из топочной камеры и газовоздушного тракта через неплотности за счет избыточного давления.

Расчет материального баланса обычно проводят на единицу используемого топлива, т. е. на 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 нм³ газообразного топлива (1 м³ газообразного топлива, взятый при нормальных физических условиях: = 0 ^оС; = 101300 Па). С учетом этого выражение (4.1) для материального баланса топочного устройства будет выглядеть:

. (4.3)

Для осуществления процесса горения в топочном устройстве требуется кислород, которого в атмосферном воздухе содержится около 21% по объему. Если предположить, что на горение единицы топлива (1 кг или 1 нм³) для его полного окисления требуется определенное количество кислорода, который содержится в объеме воздуха , то его называют теоретически необходимым объемом воздуха для горения. При сжигании твердого или жидкого топлива этот объем воздуха, м³/кг, может быть найден на рабочую массу (верхний индекс Р) топлива по формуле:

. (4.4)

Природный газ, подаваемый потребителю, обычно содержит очень мало влаги. Поэтому при его сжигании расчет ведется на сухую массу, по формуле, м³/нм³:

, (4.5)

где – процентное содержание (по массе для твердого и жидкого топлива и по объему для газообразного топлива) в топливе соответствующих элементов и газов: углерода, серы, водорода, кислорода, оксида углерода, сероводорода, углеводородов; m, n – число атомов углерода и водорода в углеводородном соединении.

Если подавать на горение только теоретически необходимый объем воздуха , то топливо в топочном устройстве из-за несовершенства процесса горения сжечь полностью не удастся. Поэтому для полного сгорания топлива в топочном устройстве воздуха всегда подают больше теоретического. Количество действительно поданного в топочное устройство воздуха , отнесенное к теоретически необходимому , называют коэффициентом избытка воздуха в топке:

. (4.6)

Чем более совершенно горелочное устройство и сама топка, чем меньше размеры частиц топлива и более правильно организован процесс сжигания топлива, тем меньше нужно подавать избыточного воздуха на горение. В современных топочных устройствах коэффициент избытка воздуха обычно не превышает 1, 05–1, 1 для газообразного и жидкого топлива, и 1, 1–1, 6 для твердого топлива.

Если топочное устройство и газовый тракт для продуктов сгорания работают под разрежением, то будут наблюдаться присосы воздуха за счет созданного в них разрежения. Величина присосов воздуха определяется как доля по отношению к :

. (4.7)

Значения присосов воздуха для различных элементов газохода при тепловом расчете могут быть приняты по справочной литературе.

По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту, их количество может возрастать на величину присосов , а на выходе из теплового агрегата коэффициент избытка воздуха для уходящих дымовых газов становится равным :

. (4.8)

При расчетах топочных устройств требуется знать количество и состав образующихся при горении дымовых газов. Это нужно для правильного расчета теплопереноса к поверхностям нагрева, правильного подбора размеров газоходов и скорости движения газов, выбора тягодутьевых устройств и т. п. Расчеты количества продуктов сгорания также ведутся на единицу сжигаемого топлива (1 кг или 1 нм³), исходя из уравнения материального баланса процесса горения (4.3).

Теоретические объемы азота , водяных паров , трехатомных газов и продуктов сгорания при = 1 рассчитывают по формулам:

для твердого и жидкого топлива на рабочую массу, м³/кг,

; (4.9)

; (4.10)

; (4.11)

; (4.12)

для газообразного топлива на сухую массу, м³/нм³,

; (4.13)

; (4.14)

; (4.15)

, (4.16)

где – содержание органической и колчеданной серы в твердом и жидком топливе, %; – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³: при расчетах принимают = 10 г/м³.

При > 1 объем продуктов сгорания будет больше на величину количества избыточного воздуха и на долю заключенных в нем водяных паров 0, 0161 , т. е.

. (4.17)

Концентрацию золы в продуктах сгорания, г/м³, при сжигании твердого или жидкого топлива можно определить по формуле

, (4.18)

где – доля уноса золы топлива с дымовыми газами, принимаемая по справочной литературе в зависимости от типа топки и вида топлива; – содержание шлака и золы в топливе на рабочую массу, %.

Пример 1. Рассчитать необходимое количество воздуха на горение кускового торфа в топочном устройстве. Расход торфа составляет 2 кг/c, коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топку равен 1, 4, КПД топочного устройства 70 %, очистных сооружений нет. Какая тепловая полезная мощность топочного устройства? Какой объем дымовых газов образуется за 1 с? Сколько образуется шлака и золы?

Решение. По прил. 2 выпишем характеристики нашего топлива – кускового торфа: = 48, 0 %; = 7, 0 %; = 0, 1 %; = 25, 2 %; = 2, 4 %; = 1, 1 %; = 16, 2 %; = 70, 0 %; = 9250 кДж/кг.

По формуле (4.4) определим теоретически необходимое количество воздуха на горение 1 кг торфа, м³/кг:

= .

С учетом избытка воздуха, подаваемого в топочное устройство на горение, объемный расход воздуха на горение составит, м³/с:

,

где – расход топлива, кг/с.

Полезная тепловая мощность топочного устройства может быть найдена по формуле, кВт:

, (4.19)

где – КПД топочного устройства.

Определим по формулам (4.9)− (4.12) объемы газов, м³/кг, образующихся при горении торфа:

;

;

= ;

.

С учетом избытков подаваемого на горение воздуха количество образующихся продуктов сгорания будет, м³/кг:

.

Рассчитаем количество образующихся за 1 секунду продуктов сгорания, м³/с:

.

Количество образующейся золы в продуктах сгорания, г/с, при сжигании торфа, когда продукты сгорания без очистки выбрасываются в окружающую среду, можно определить по формуле (4.18):

.