Куликов, А. А.

Отдел научно-технической информации и образовательной

деятельности СПбНИИЛХ,

(зав. отделом кандидат технических наук Н. А. Маятина),

доцент Санкт-Петербургского государственного университета
сервиса и экономики, кандидат технических наук В. Ф. Бадах

УДК

Куликов, А. А.

Топливо. Тепловой баланс котельного агрегата: учебное пособие для студентов очной и заочной форм обучения / А. И. Куликов [и др.]. – СПб.: СПбГЛТУ, 2012. – ____ с.

ISBN 978-5-9239-

Представлено кафедрой теплотехники и теплосиловых установок.

В первой части пособия детально рассмотрены основные характеристики топлива. Приведен подробный вывод всех формул, относящихся к расчетам: объема воздуха на горение; объема образующихся дымовых газов; температуры горения.

Во второй части применен оригинальный метод для вывода уравнения теплового баланса котельного агрегата. Все окончательные расчетные формулы строго и последовательно выведены из первого закона термодинамики.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения.

Библиогр. 19 назв. Табл. 6. Ил. 10.

Темплан 2012 г. Изд. № 97.

ISBN 978-5-9239- Ó СПбГЛТУ, 2012

1. ВИДЫ ТОПЛИВА

Теплотехнические установки (ТТУ) – это устройства, которые потребляя топливо, обеспечивают достижение определенного полезного эффекта.

Например, в теплосиловых установках (ТСУ) полезный эффект – это механическая работа, которую можно, в частности, использовать для получения электроэнергии на тепловой электрической станции (ТЭС).

Комплекс оборудования, обеспечивающий переход одного вида энергии в другой, называется станциями.

В котельных агрегатах (КА) полезный эффект от использования топлива состоит в получении горячий воды или водяного пара в насыщенном или перегретом состояниях.

Топливом называется вещество, с помощью которого можно получить технически полезную энергию.

По механизму выделения энергии топливо разделяют на две группы: ядерное и органическое.

По происхождению – на природное (уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф, древесина и т. п.) и искусственное (бензин, керосин, кокс и т. п.), которое получается путем переработки природных топлив.

По агрегатному состоянию – на твердое, жидкое, газообразное.

2. Теплотехнические характеристики

К теплотехническим характеристикам топлив относятся:

· химический состав топлива;

· теплота сгорания топлива;

· влажность;

· выход летучих и кокса;

· зольность;

· свойства коксового материала.

Определение этих характеристик является задачей технического анализа топлива.

Зольность. Минеральные примеси состоят из различных минеральных веществ, входящих в состав твердого топлива.

Основные минеральные примеси состоят из алюмосиликатов (кремнезем SiO₂, глинозем Al₂O₃, глина), сульфидов (в основном железный колчедан FeS₂), карбонатов (CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃), сульфатов (CaSO₄, MgSO₄), окислов металлов, фосфатов, хлоридов, солей щелочных металлов.

В зависимости от происхождения различают три вида минеральных примесей – первичные, вторичные и третичные.

Первичные примеси попали в топливо вместе с углеобразователями, они связаны с органической массой топлива. Количество первичных примесей, как правило, невелико. Они распределяются в топливе равномерно по всей массе. Удалить первичные примеси из топлива невозможно.

Вторичные примеси были внесены в топливо в процессе углеобразования ветром и водой в виде наносов. Распределены они в топливе менее равномерно, иногда в виде тонких прослоек, но удалить их также практически невозможно. Поэтому первичные и вторичные примеси считаются внутренними примесями.

Третичные примеси попадают в топливо при его добыче, транспортировке и хранении и представляют собой породы из внешнего минерального окружения вырабатываемого пласта. Распределены они в топливе неравномерно и достаточно легко отделяются. Поэтому третичные примеси являются внешними примесями.

В процессе горения при высоких температурах минеральные примеси претерпевают различные физико-химические преобразования, в результате чего получается твердый негорючий остаток, который называется золой.

Хотя золы обычно получается по массе несколько меньше, чем минеральных примесей в исходном топливе, для теплотехнических расчетов пользуются процентным (по массе) содержанием золы – зольностью (А).

Для определения зольности топлив пользуются стандартной методикой (прил. 1).

Важными свойствами золы являются абразивность и плавкость.

Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей парогенераторов.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, называемый шлаком.

Коллоидная влага («клеевидная» от др. греч. κ оλ λ a – клей и ε iδ oς – вид) связана с органической частью топлива и распределяется очень равномерно в его массе. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива, а также от содержания влаги в атмосферном воздухе.

Гидратная (кристаллизационная) влага химически связана с минеральными примесями. Содержание гидратной влаги в топливе незначительно. Больше всего ее количество заметно в многозольных топливах.

Часть коллоидной влаги при просушке испаряется, содержание гидратной влаги при этом остается постоянным, она может быть удалена только при высоких температурах.

Внешнюю влагу топлива составляют поверхностная и капиллярная влага, которая попадает в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке и хранении.

Внешняя влага удаляется механическими методами и сушкой.

Гигроскопической влажностью называют влажность воздушно-сухого топлива при определенных условиях: температуре воздуха 20 ±1°С и его относительной влажности 65 ±5 % [16].

Твердое топливо при пребывании на воздухе может терять или поглощать влагу до тех пор, пока давление насыщенного пара влаги топлива не уравновесится с парциальным давлением влаги воздуха.

Воздушно-сухим называется твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью.

Влажность рабочей массы различных топлив изменяется в широких пределах. Рабочим называется такой вид топлива, в котором оно непосредственно подается в топки и горелки.

Для определения влажности топлива используют стандартную методику (прил. 2).

При сжигании топлива влага испаряется в первую очередь, потребляя часть теплоты. В реальных условиях водяные пары выбрасываются вместе с продуктами сгорания, что приводит к снижению теплоты сгорания, увеличению расхода топлива, объема продуктов сгорания, а следовательно, к увеличению потерь теплоты с уходящими газами и затрат на удаление уходящих газов из КА.

Высокая влажность способствует выветриванию и самовозгоранию твердого топлива при его хранении.

При повышенной влажности ухудшается сыпучесть твердого топлива. В зимнее время может происходить смерзание топлива, что нарушает нормальную работу систем топливоподачи.

Выход летучих и кокса. При нагревании твердого топлива происходит распад сложных углеводородных соединений, составляющих горючую массу топлива. В результате этого выделяются горючие газы – водород (Н₂), углеводороды (в основном метан СН₄), окись углерода (СО), а также негорючие газы – углекислый газ (СО₂) и водяные пары (Н₂О). Этот процесс называется выходом летучих веществ. Состав и теплота сгорания летучих зависят от вида и марки топлива. По мере увеличения химического возраста топлива количество летучих уменьшается.

После отгонки летучих из топлива образуется коксовый остаток.

В зависимости от топлива, коксовый остаток может быть порошкообразным или спекшимся. Спекание кокса происходит в случае, если топливо содержит битуминозные вещества, которые при нагревании переходят в пластическое состояние.

Угли, образующие спекшийся коксовый остаток, являются ценным технологическим сырьем. В первую очередь для производства металлургического кокса.

Свойства коксового остатка зависят от состава органических соединений горючей массы топлива.

Для определения выхода летучих и кокса используют стандартную методику (прил. 3).

3. Состав топлива

Важнейшей характеристикой любого топлива является его химический состав. По известному химическому составу топлива могут быть выполнены все расчеты, связанные с его использованием: расчет необходимого объема воздуха для сжигания; расчет объема и состава дымовых газов и др.

Любое топливо состоит из горючей массы и балласта. При всем разнообразии различных видов топлива горючими элементами являются: углерод, водород, кислород и сера.

Отметим, что масса серы, участвующей в горении, состоит из серы органической S _о, которая входит в состав органических соединений, и серы колчеданной S _к, которая входит в состав железного колчедана FeS₂ и других сернистых соединений, окисляемых кислородом, рис. 3.1 [11].

Рис. 3.1. Природа и свойства серы в топливе

Твердое и жидкое топливо состоит, как правило, из сложных веществ (органических соединений), определить содержание которых в топливе достаточно сложно. Поэтому применяется более простой способ, который позволяет характеризовать состав топлива массовыми % химических элементов, из которых оно состоит.

Горючими элементами топлива являются, %: углерод С, водород Н и сера S_л = S_о + S_к (индекс «л» означает «летучая сера», т. е. та сера в топливе, которая окисляется кислородом).

Кроме горючих элементов топливо содержит, %: негорючие органические элементы кислород О и азот N, входящие в состав топлива в виде сложных высокомолекулярных соединений; негорючие минеральные примеси, например, Al₂O₃, SiO₂, CаO, Fe₂O₃, CaSO₄ и др. составляющие, золу топлива А, которая остается после его сгорания; влагу топлива W, которая является балластной примесью, как и зола, снижающей качество топлива.

В качестве характеристик состава твердого топлива различают рабочую, аналитическую, сухую, горючую (сухую беззольную) и органическую массы, табл. 3.1 [1; 2; 14]. В жидком топливе – рабочую и сухую массы.

Таблица 3.1

Масса твердого топлива и состав

Органическая масса состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и серы, входящей в состав органических соединений. Это условное состояние топлива, не содержащего влаги и минеральной массы:

. (3.1)

Горючая масса (сухая беззольная) близка по составу к органической массе. Отличается от нее наличием колчеданной, или пиритной серы, входящей в состав железного колчедана (FeS₂) и других сернистых соединений, окисляемых кислородом в процессе горения топлива. Это условное состояние топлива, не содержащего влаги (кроме гидратной) и золы:

C^г + H^г + O^г + + N^г = 100%. (3.2)

Сухая масса состоит из горючих компонентов и минеральных веществ, образующих при сгорании топлива золу. В этом состоянии топливо не содержит влаги (кроме гидратной):

C^с + H^с + O^с + + N^с + А^с = 100%. (3.3)

Рабочая масса состоит из сухой массы и всей влаги топлива, именно этот состав топлива подается в топки и горелки:

C^р + H^р + O^р + + N^р + А^р + W^р = 100%. (3.4)

Аналитическая масса – рабочая масса воздушно-сухого топлива. Соответствует аналитическому состоянию топлива, т. е. состоянию аналитической пробы топлива, влажность которого доведена до равновесного состояния с влажностью воздуха в лабораторном помещении [14]. Используется обычно для проведения химического анализа:

C^а + H^а + O^а + + N^а + А^а + W^а = 100%. (3.5)

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производится по очевидным соотношениям с помощью множителей, приведенных в табл. 3.2 [6].

Таблица 3.2

Множители для перерасчета состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса топлива	Коэффициенты пересчета на массу
рабочую	сухую	горючую	органическую	аналитическую
рабочая
сухая
горючая
органическая
аналитическая

Примечание к табл. 3.2:

1) пересчет рабочего состава одного топлива при изменении его влажности проводится по очевидным формулам, приведенным в прил. 4;

2) расчет рабочего состава топлива, состоящего из смеси двух твердых или жидких топлив, производится по формулам, приведенным в прил. 5;

3) пример расчетов по определению состава топлива приводится в прил. 6.

Химический состав газообразного топлива чаще всего задается объемными процентами входящих в газовую смесь компонентов.

По определению:

· объемный % i-го компонента – это объемная доля компонента r_i, умноженная на 100;

· объемная доля – это отношение приведенного объема i -го компонента V_i к объему всей газовой смеси V _см , из которой состоит топливо;

· приведенный объем i-го компонента газовой смеси V_i – это объем, который один этот компонент мог бы занимать при условии, что его давление и температура будут равны давлению и температуре всей газовой смеси.

В общем случае промышленное газообразное топливо может содержать следующие газы: окись углерода (СО); водород (Н₂); метан (СН₄); этан (С₂Н₆); пропан (С₃Н₈); бутан (С₄Н₁₀); пентан (С₅Н₁₂); этилен (С₂Н₄); пропилен (С₃Н₆); сероводород (Н₂S); двуокись углерода (СО₂); азот (N₂); кислород (О₂).

Если в газообразном топливе присутствует кислород, то при расчете горения его необходимо учитывать, т. е. воздуха на сжигание топлива в этом случае потребуется меньше.

Пример: природный газ Саратовского месторождения имеет состав [2]:

							Сумма, %
94, 0	1, 2	0, 7	0, 4	0, 2	0, 2	3, 3	100, 0

Примечание:

Необходимо учитывать, что для газообразного топлива в справочной литературе дается состав сухого газа. Пересчет состава газообразного топлива с сухого на влажный производится следующим образом. Вначале определяется объемная доля Н₂О в газе при нормальных условиях (условная величина, т. к. плотность паров Н₂О при нормальных условиях условно определяется формулой

кг/нм³,

где – молярная масса воды, кг / кмоль; 22, 4 м³ – объем, который занимает 1 кмоль любого идеального газа при нормальных условиях (следствие из закона Авогадро).

По определению объемной доли в газовой смеси:

, (3.5)

где – объемная доля паров Н₂О в газообразном топливе; – приведенный объем паров в газообразном топливе, нм³; – объем газовой смеси рабочего (влажного) топлива, который соответствует 1 нм³ сухого топлива, нм³; – масса Н₂О в объеме рабочего (влажного) топлива, равном , кг; ω – содержание влаги в газообразном топливе, г / нм³ (сухого газа).

Содержание влаги в объемных процентах в рабочем топливе по определению составит:

%. (3.6)

Влагосодержание газа при различных температурах приводится в прил. 7.

Зная по (3.6) процентное содержание влаги в рабочем топливе, можно рассчитать состав влажного рабочего газа по известному составу сухого газа:

, %;

(3.7)

, %; и т. д.

В природном газе содержится небольшое количество влаги, примерно 0, 5…1, 5 %, так как при транспортировании газа на большие расстояния он подвергается тщательной очистке от различных примесей и влаги.

При решении задач, в случае отсутствия данных по влаге, влажность газообразного топлива принимать Н₂О = 1 %.

Пример расчета рабочего состава для природного газа приводится в прил. 8.

4. Теплота сгорания топлива

Горение – это интенсивная реакция окисления, в которой выделение химической энергии сопровождается тепловым излучением.

Сгорание топлива может быть полным и неполным.

При полном сгорании в продуктах горения образуются вещества, не способные к дальнейшему окислению: СО₂, Н₂О, SО₂.

При неполном сгорании, в образовавшихся продуктах горения присутствуют вещества, способные к дальнейшему окислению: СО, Н₂S и др.

Например, результат полного сгорания углерода в виде графита описывается стехиометрическим уравнением [3]:

С + О₂ = СО₂ + 34, 07 МДж / кг. (4.1)

При неполном сгорании:

С + 0, 5 · О₂ = СО + 10, 27 МДж / кг. (4.2)

Примечание:

Содержащийся в твердом и жидком топливе углерод, так же, как и водород, входит в состав сложных органических соединений, образующих горючую массу топлива.

В технике различают высшую и низшую теплоты сгорания рабочего топлива (теплотворная способность топлива, или теплотворность).

Высшая теплота сгорания топлива – это теплота, которая выделяется при полном сгорании всех горючих компонентов 1 кг или 1 нм³ топлива.

Примечание: 1 нм³ – это 1 м³ газа, находящийся при нормальных условиях (н.у.), т. е. при р _н = 101325 Па и Т_н = 273, 15 К.

Физический смысл можно представить следующим образом. После полного сгорания 1 кг или 1 нм³ топлива образуется высокотемпературная газовая смесь (дымовые газы), состоящая из пяти газов: СО₂, Н₂О, SО₂, N₂ и О₂. Эту смесь охлаждают до 0º С. Теплоту, которую потребуется отвести при таком охлаждении, называют высшей теплотой сгорания топлива . Очевидно, что пары Н₂О, находящиеся в дымовых газах, в конце процесса охлаждения (при 0º С) будут находиться в жидкой фазе, т. к. при 100º С произойдет их практически полная конденсация.

Значение определяется экспериментально (прил. 9), либо рассчитывается по эмпирическим формулам по известному элементарному составу топлива.

В тепловых агрегатах, как правило, отработанные дымовые газы находятся при давлении, близком к атмосферному, и имеют температуру несколько выше 100º С, а значит вода в них находится в виде пара. Это необходимо, чтобы исключить конденсацию пара в трубе, через которую дымовые газы выбрасываются в атмосферу (при конденсации труба быстро разрушается).

В связи с этим, для удобства проведения теплотехнических расчетов (чтобы не учитывать в них теплоту испарения Н₂О), вводится низшая теплота сгорания топлива . Значение определяется по известной путем пересчета. Из вычитается теплота, которая высвобождается при конденсации Н₂О в дымовых газах при 100º С. А также то количество теплоты, на которое отличаются процессы охлаждения воды (от 100º С до 0º С) от охлаждения водяного пара (тоже от 100º С до 0º С). Это отличие можно рассчитать по известным значениям средних теплоемкостей воды и водяного пара при постоянном давлении (теплоемкость пара примерно в два раза меньше теплоемкости воды).

Указанная выше разница между и составляет приблизительно 2510 кДж (600 ккал) на 1 кг влаги [3].

Таким образом, для твердого и жидкого топлива можно записать:

= – 2510 · , кДж / кг, (4.3)

где и – содержание водорода и влаги в рабочем топливе, %.

Коэффициент 9 перед в формуле (4.3) указывает на то, что из 1 кг Н₂ при окислении образуется 9 кг Н₂О.

На практике для расчета низшей теплоты сгорания твердого или жидкого рабочего топлива по известному элементарному составу пользуются эмпирической формулой Д. И. Менделеева [10]:

= 338C^р + 1025H^р – 108, 5 (O^р – ) – 25 W ^р, кДж / кг. (4.4)

Низшую теплоту сгорания газообразного топлива по компонентному составу вычисляют по формуле [10]:

= 108 Н₂ + 126 СО + 234 Н₂S + 358 СН₄ + 591 С₂Н₄ +

+ 638 С₂Н₆ + 860 С₃Н₆ + 913 С₃Н₈ + 1135 С₄Н₈ + 1187 С₄Н₁₀ +

+ 1461 С₅Н₁₂ + 1403 С₆Н₆, кДж / кг, (4.5)

где Н₂, СО, Н₂S, СН₄, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈, С₄Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂, С₆Н₆ – объемные % соответствующих компонентов топлива, а коэффициенты перед ними – тепловые эффекты реакций окисления данного горючего компонента, кДж / нм³, деленные на 100.

Помимо иногда в расчетах используется – теплота сгорания при стандартных условиях (20º С, 760 мм рт. ст.):

. (4.6)

5. Условное топливо

Эффективность использования топлива в тепловом агрегате характеризуется удельным расходом топлива – это затраты топлива на единицу продукции.

Например, на получение в котельном агрегате 1 т пара расходуется 50 нм³ природного газа, т. е. удельный расход 50 нм³ / т. Для удобства сопоставления различных видов топлива, например, при сравнении удельных расходов, вводится понятие – условное топливо (у.т). При этом принято, что низшая рабочая теплота сгорания условного топлива составляет 29300 кДж / кг у.т. (7000 ккал / кг у.т).

Затраты или объем реального топлива всегда можно пересчитать в затраты (объем) условного топлива.

Например: пусть в тепловом агрегате расходуется в единицу времени В кг / с, твердого топлива с низшей рабочей теплотой сгорания , кДж / кг. Соответственно в этом тепловом агрегате в единицу времени расходуется теплота:

Q _тех = В · , (5.1)

где Q _тех – теплота на осуществление технологического процесса, кДж / с.

Величина Q _тех при любом виде топлива должна оставаться неизменной, в частности, и при использовании условного топлива:

Q _тех = В · = В _у.т · 29300, (5.2)

где В _у.т – расход условного топлива в рассматриваемом тепловом агрегате, кг у.т./ с или т у.т./ с.

Из (5.2) получаем:

В _у.т = В · Э, кг у.т. / с или т у.т./с, (5.3)

где – безразмерная величина, которая называется тепловой эквивалент топлива.

Теоретически необходимый объем воздуха – это минимальный объем воздуха, который потребуется для полного сгорания 1 кг или 1 нм³ топлива.

На практике, для достижения полного сгорания топлива воздуха подают больше, чем теоретически необходимо. Это происходит из-за того, что идеально перемешать горючее и окислитель в реальных топках и горелках невозможно. В соответствии с этим фактом вводится важная техническая характеристика горения – коэффициент избытка воздуха α:

, (6.3)

где V ^o – теоретически необходимый объем воздуха, нм³ /кг (нм³ /нм³); V _д – действительный объем воздуха, нм³ / кг (нм³ / нм³).

Значение V ^o определяется из стехиометрических уравнений химических реакций окисления горючих элементов топлива. Значение V _д определяется в результате экспериментальной отработки режимов для конкретных топок и горелок.

6.2. Расчет объема воздуха при горении
твердого и жидкого топлива

Элементарный рабочий состав твердого и жидкого топлива, как было показано выше, задается массовыми, %. Например, высокосернистый мазут имеет следующий состав [13]:

Ср	Нр		Nр	Ор	Ар	W р	Сумма, %
83, 0	10, 4	2, 8	0, 7	–	0, 1	3, 0	100, 0

Горючими элементами в топливе являются: углерод, водород, сера.

Примечание:

Часть твердого топлива в топках теряется: со шлаками; за счет просыпи через колосниковую решетку; уносится в виде пыли газовым потоком. Эти потери называются механическими. При учете механических потерь их оценивают как потери углерода:

С_мех = С_ш + С_пр + С_у , %, (6.15)

где С_мех – механические потери углерода; С_ш, С_пр, С_у – потери углерода со шлаком, с просыпью и уносимые газовым потоком соответственно.

Значение С_мех обычно составляет 3…5 %. Соответственно при расчете теоретически необходимого объема воздуха для сгорания твердого топлива вместо С^р используется фактический углерод :

= С^р – С_мех = (0, 95…0, 97) · С^р, %. (6.16)

6.3. Расчет объема воздуха при горении
газообразного топлива

Химический состав газообразного топлива, как было показано выше, задается объемными % входящих в топливо (газовую смесь) компонентов. В общем случае сухое (без учета паров Н₂О) техническое газообразное топливо может иметь состав:

Объем кислорода, необходимого для полного сгорания 1 нм³ газообразного топлива, подсчитывается на базе стехиометрических уравнений окисления (горения) отдельных горючих компонентов, входящих в его состав:

окись углерода: СО + 0, 5 · О₂ = СО₂ ; (6.17)

водород: Н₂ + 0, 5 · О₂ = Н₂О; (6.18)

метан: СН₄ + 2 · О₂ = СО₂ + 2 · Н₂О; (6.19)

этан: С₂Н₆ + 3, 5 · О₂ = 2 · СО₂ + 3 · Н₂О; (6.20)

пропан: С₃Н₈ + 5 · О₂ = 3 · СО₂ + 4 · Н₂О; (6.21)

бутан: С₄Н₁₀ + 6, 5 · О₂ = 4 · СО₂ + 5 · Н₂О; (6.22)

пентан: С₅Н₁₂ + 8 · О₂ = 5 · СО₂ + 6 · Н₂О; (6.23)

этилен: С₂Н₄ + 3 · О₂ = 2 · СО₂ + 2 · Н₂О; (6.24)

пропилен: С₃Н₆ + 4, 5 · О₂ = 3 · СО₂ + 3 · Н₂О; (6.25)

сероводород: Н₂S + 1, 5 · О₂ = SО₂ + Н₂О. (6.26)

Например, из (6.20) следует, что для полного сгорания 1 нм³ этана (С₂Н₆) потребуется 3, 5 нм³ О₂ (так как на сгорание 1 кмоля С₂Н₆ требуется 3, 5 кмоля кислорода (О₂), а 1 кмоль любого идеального газа при нормальных условиях, по следствию из закона Авогадро, занимает объем 22, 4 м³). Соответственно для сгорания нм³ этана, содержащегося в 1 нм³ топлива, потребуется 3, 5 · нм³ кислорода.

Таким образом, по уравнениям (6.17) – (6.26) можно подсчитать объем теоретически необходимого кислорода для сгорания 1 нм³ топлива :

= 0, 01 (0, 5 · СО + 0, 5 · Н₂ + 2 · СН₄ + 3, 5 · С₂Н₆ + 5 · С₃Н₈ +

+ 6, 5 · С₄Н₁₀ + 8 · С₅Н₁₂ + 3 · С₂Н₄ + 4, 5 · С₃Н₆ +

+ 1, 5 · Н₂S – О₂), нм³ / нм³. (6.27)

Если для компактности записи все углеводороды, входящие в топливо, обозначить общей условной формулой C _m H _n (m – количество атомов углерода, n – количество атомов водорода в компоненте), то вместо (6.27) можно записать:

= 0, 01 (0, 5 · СО + 0, 5 · Н₂ + 1, 5 · Н₂S +

+ ∑ (m + ) C _m H _n – О₂), нм³ / нм³, (6.28)

где условный знак ∑ означает суммирование по всем входящим в топливо углеводородам [см. формулу (6.27)].

Соответственно теоретически необходимый объем воздуха рассчитывается по (6.28), исходя из содержания в воздухе 21 % кислорода по объему:

, (6.29)

или с учетом (6.28):

V ^o = 0, 0476 · [0, 5 (СО + Н₂) + 1, 5 Н₂S + 2 СН₄ +

+ · С _m H _n – O₂], нм³ / нм³. (6.30)

6.4. Расчет объема дымовых газов при горении топлива

6.4.1. Общие сведения

При полном сгорании любых органических топлив образуются следующие газообразные продукты сгорания: СО₂, SО₂ и Н₂О.

Если происходит неполное сгорание, то считается, что к трем названным продуктам добавляется окись углерода СО – токсичный газ, а также могут добавляться и другие газы.

В общем случае объем продуктов сгорания 1 кг или 1 нм³ топлива V _гскладывается из объема сухих газов V _сги объема водяного пара :

V _г= V _сг + , нм³ / кг; нм³ / нм³. (6.31)

При этом:

, (6.32)

где – приведенные объемы соответствующих компонентов в сухой газовой смеси, образовавшейся при сгорании 1 кг или 1 нм³ топлива, нм³ / кг или нм³ / нм³ топлива.

Химический состав сухих дымовых газов определяется объемными %:

SО₂ = СО =

О₂ = , N ₂ = , (6.33)

где , , , , – объемные доли соответствующих компонентов в сухой газовой смеси; СО₂ , SО₂ , СО, О₂ , N₂ – объемные проценты соответствующих компонентов в сухой газовой смеси, %.

При этом:

СО₂ + SО₂ + СО + О₂ + N₂ = 100 %. (6.34)

При расчетах для удобства вводится обозначение:

, (6.35)

где – объем трехатомных газов, %.

Соответственно подставляя (6.35) в (6.32):

(6.36)

6.4.2. Расчет объема дымовых газов при полном горении
твердого и жидкого топлива

Состав такого топлива задается массовыми %:

C^р + H^р + O^р + + N^р + А^р + W ^р = 100 %. (6.37)

При полном сгорании 1 кг топлива объем дымовых газов V _гопределяется суммой:

, нм³ / кг. (6.38)

Расчет значений слагаемых, входящих в правую часть (6.38), производится следующим образом.

Для расчета рассмотрим стехиометрическую реакцию окисления углерода:

С + О₂ = СО₂. (6.39)

Из (6.39) следует, что из 1 кг углерода образуется СО₂ в количестве нм³/ кг. В 1 кг топлива содержится , кг углерода. Соответственно:

, нм³ / кг. (6.40)

Аналогичным образом рассчитывается по реакции:

S + О₂ = SО₂ ; (6.41)

, нм³ / кг. (6.42)

Итого для :

= 1, 886 · + 0, 7 · =

= 1, 886 · , нм³ / кг, (6.43)

где = К^Р называется приведенным углеродом, %.

В общем случае при избытке воздуха (α > 1) часть воздуха не принимает участия в горении. Эта часть называется избыточным воздухом: