Коэффициент избытка воздуха при горении топлива. Полное и неполное горение. Расчеты горения топлива.

В металлургической теплотехнике в большинстве случаев используют полное горение топлива. Это такое горение, при котором продукты сгорания не содержат горючих компонентов.

В этом случае продукты сгорания содержат: CO₂, H₂O, N₂ и в незначительных количествах O₂. Поскольку CO₂ и H₂O являются сильными окислителями, при тепловой обработке металла в такой атмосфере на поверхности образуется окалина(3-4% в нагревательных печах).

Для уменьшения окалина-образования используют нагрев металла в газовой среде(защитной атмосфере) не содержащей газов-окислителей, либо содержащих CO₂ и Н₂О в меньшем количестве. Одним из методов является организация неполного горения топлива. В продуктах сгорания содержатся наряду с СО₂, Н₂О, N₂ CO и Н₂.

Расчёты горения топлива

Включают следующие этапы:

1. Расчёт количества воздуха, необходимого для горения топлива.

2. Расчёт количества и состава продуктов сгорания.

3. Определение температуры горения.

1. Производится как в объемных, так и в массовых единицах.

Рассмотрим горение природного газа:

CH₄+2o₂=CO₂+H₂O

Для сжигания 1 кмоль СH₄ необходимо 2 кмоль кислорода, или, с учётом того, что кмоль любого газа занимает одинаковый объём 22.4 м³ для сжигания 1 м³ CH₄ необходимо 2 м³ кислорода. Поскольку в воздухе содержится О₂ составл. 21%, остальное занимает азот. N₂=79/21=3, 762

Поэтому для сжигания 1 м³ СН₄ потребуется воздуха: 2+2*3, 767=9, 54 м³

Аналогичный расчёт производится для массовых единиц.

Рассмотрим реакцию горения углерода. С+О₂=СО₂

На 1 кмоль С расходуется 1 кмоль О₂. 1 кмоль С составляет 12 кг.; 1 кмоль О₂, следовательно 32 кг. Поэтому для сжигания 1 кг С потребуется: 32/12=2, 67 кг О₂

В воздухе содержание кислорода по массе составляет 23, 2 %. Азот 76, 8% т.е. отношение N₂ к О₂ составляет: 78, 6/23, 2=3, 31 кг.

Т.е. для сжигания 1 кг С нам потребуется О₂: 2, 67+2, 67*3, 31=11, 5 кг воздуха

Это количество можно перевести в объемное разделив на плотность воздуха: 11, 5/1, 293=8, 89 м³

Как при горении газообразного, так и твердого топлива полученного по реакциям объёма воздуха (кислорода) представляет собой наименьшее количество, которое необходимо для полного окисления единицы топлива. Это наименьшее количество называется теоретическим. На практике для гарантированного полного сжигания топлива расход воздуха несколько превышает теоретический. Это количество называется действительным расходом воздуха.

Отношение действительного количества воздуха к теоретическому называется коэффициентом расхода или избытком воздуха [α (n)] α (n0)=V_д/V_т

При сжигании с избытком воздуха α > 1 происходит полное сжигание топлива, продукты сгорания содержат: CO_2, H₂O, N₂, O₂ (в незначительных количествах).

При недостатке воздуха α < 1 происходит неполное сжигание топлива, продукты сгорания содержат CO_2, H₂O, N_2, СО, Н₂.

При использовании обогащённого дутья, содержащего более 21% О₂ используется коэффициент расхода О_2: α _o(n_o)=V^o_д/V^o_т

Как правило, в большинстве нагревательных печей и при использовании горелок в плавильных печах α находится на уровне 1, 05-1, 1: 1, 05< 2< 1.1

Использование α большей величины приводит к понижению Т в рабочем пространстве печи за счёт необходимости нагрева дополнительного количества N₂.

2. – СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О

При определении продуктов сгорания газообразного топлива рассмотрим сжигание природного газа. При сжигании 1 м³ СН₄ образуется 1м³ СО₂ и 2 м³ Н₂О. Кроме того с воздухом вносится N₂ в количестве 2*3, 762=7, 524 м³. Тогда общее количество продуктов сгорания составит: 1+2+7, 524=10, 524 м³

Определим процентный состав продуктов сгорания:

СО₂=1/10, 524*100=9, 5%

Н₂О=2/10, 524*100=19, 0%

N₂₌7, 524/10, 524*100=71, 5%

При сжигании С α > 1 количество продуктов сгорания возрастает за счёт увеличения количества N₂, которое вносится с воздухом, а также с увеличением избыточного О₂. При сжигании топлива в воздухе, обогащенном кислородом, наблюдается обратная картина.

По условиям техники безопасности обогащение кислородом не должно превышать 20%.

3. Различают теоретическую и калориметрическую Т горения.

Продукты сгорания топлива нагреваются до высоких Т, при которых возможна диссоциация СО₂ и Н₂О (до 16%). В результате диссоциации происходит изменение объёма и уменьшается количество теплоты, так как диссоциация – реакция эндотермическая, т.е. с поглощением теплоты.

Теоретическая Т определяется с учётом диссоциации:

Т_т=(Q^p_H-ρ _дисс)/V_пр*С

С-теплоёмкость продуктов сгорания

V_пр- объём продуктов сгорания

Калориметрическая Т определяется из условия, что вся выделившаяся теплота при сжигании топлива расходуется только на повышение температуры продуктов сгорания

Т_к=Q_н/V_пр*С

Для низкокалорийных топлив (доменный газ, коксовый газ) Т_к определяется с учётом подогрева топлива

Т_к=(Q^p_н-Q_ф)/V_пр*С

Q_ф – физическая теплота подогретого топлива

Для расчётов используют, как правило Т_к.

Горение газообразного, твёрдого и жидкого топлива.

Жидкого процесс: 1)распылевание, 2)воспламенение, которому предшествует процесс смешения подогрева испарения топлива, 3)горение капель жидкого топлива.

Твёрдого процесс: 1)подогрев и подсушку топлива, 2)Пирагенное разложение топлива с выделением летучих, 3)образование коксового остатка, 4) горение летучих и коксового остатка.

Газообразный (углерод): горение углерода начинается после окончания выхода летучих. Он более продолжителен и определяет общее время процесса горения.Происходят эндотермические реакции….