4.6. Материальный баланс реакций горения

Стехиометрические реакции горения. Для решения технических задач, связанных со сжиганием топлива, необходимо уметь сводить материальные балансы по стехиометрическим уравнениям.

Продуктами полного сгорания топлива является двуокись углерода СО₂, сернистый газ SO₂ и водяные пары Н₂О. Кроме того, компонентами продуктов сгорания топлива являются азот N₂, содержав­шийся в атмосферном воздухе, и избыточный кислород О_2. Наличие в продуктах сгорания кислорода связано с тем, что процесс горения протекает не идеально, поэтому требуется подавать его больше, чем теоретически необходимо.

По уравнениям реакций окисления горючих элементов топлива, зная их молекулярную массу, плотность и объемы, можно найти массу и теоретический (стехиометрический) объем воздуха и продуктов полного сгорания. Наиболее удобно проводить рас­четы, исходя из значений массы молекул (молей), величины которых для горючих элементов топлива приведены в табл. 4.4.

При полном сгорании углерода

С + О₂ = СО₂; (4.31) 12,0 кг С + 32,0 кг О₂ = 44,0 кг СО₂

или

1 кг С + 32/12 кг О₂ = 44/12 кг СО₂,

чему соответствует

1 кг С + 2,67 кг О₂ = 3,67 кг СО₂, (4.32)

1 кг С + (2,67/ ) м³ О₂ = (3,67/ ) м³ СО₂ ,

т. е. при сжигании 1 кг углерода требуется 1,866 м³ кислорода (при = 1,428 кг/м³) и обра­зуется 1,866 м³ двуокиси углерода (при = 1,964 кг/м³) .

При окислении  горении водорода:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; (4.33)

1 кг Н₂ + 8 кг О₂ = 9 кг Н₂О;

т. е. при полном сгорании 1 кг водорода требуется 5,60 м³ кислорода и образуется 11,20 м³ водяного пара.

Аналогично при горении летучей серы:

S + O₂ = SO₂; (4.34) 32,0 кг + 32,0 кг О₂ = 64,0 кг SО₂; 1 кг S +1 кг О₂ = 2 кг SО₂.

Для полного сгорания 1 кг серы требуется 0,70 м³ кислорода и образуется 0,70 м³ сернистого газа.

Таблица 4.4

Молекулярная масса и плотность горючих компонентов топлива и продуктов сгорания

Молекула (химический элемент)	Молекулярная масса	Плотность кг/м3	Молекула (химический элемент)	Молекулярная масса	Плотность, кг/м3
С	12,0	0,536	C2H6	30,1	1,342
Н2	2,0	0,090	C3H8	44,1	1,967
2	28,0	1,251	C4H10	58,1	2,593
S	32,0	1,92	CO2	44,0	1,964
O2	32,0	1,428	SO2	64,1	2,858
CO	28,0	1,250	H2O	18,0	0,804
CH4	16,0	0,716	NO	30,0	1,339
H2S	34,	1,520	NO2	46,0	2,053

При неполном горении углерода таким же путем образуется:

С + 1/2О₂ = СО; (4.35)

12 кг С + 16 кг О₂ = 28 кг СО;

1 кг С + 1,33 кг О₂ = 2,33 кг СО;

т. е. при неполном сжигании 1 кг углерода, до оксида углерода, требуется 0,933 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ оксида углерода.

Теоретическое количество воздуха для горения (V_в⁰ м³/кг). Для получения значений теоретического (стехиометрического) количества воздуха необходимого для полного сгорания углерода, водорода и серы в объемных единицах и с учетом содержания кислорода в воздухе в количестве 21 % об. получим выражение:

V_в⁰ = (2,67С^р + 8Н^р + S_л^р – О^р)/(21 ), (4.36)

или

V_в⁰ = 0,0889(С^р + 0,375 S_л^р) + 0,265Н^р  0,033О^р, (4.37)

Выражение (4.37) используется для определения стехиометрического количества воздуха при сжигании твердых и жидких видов топлива.

При сжигании газообразного топлива количество теоретически необходимого воздуха находят, исходя из стехиометрических уравнений реакций горения компонентов газообразного топлива. При этом прини­мают, что объем одного моля компонентов, как и у идеальных газов, одинаков. Тогда при горении: оксида углерода

СО + 0,5О₂ = СО₂; (4.38)

1 м³ СО + 0,5 м³ О₂ = 1 м³ СО₂;

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О; (4.39)

1 м³ Н₂ + 0,5 м³ О₂ = 1 м³ Н₂О;

H₂S + 1,5O₂ = H₂O + SO₂; (4.40)

1 м³ H₂S + 1,5О₂ = 1 м³ Н₂О + 1 м³ SО₂;

С_mН_n + (m+n/4)O₂ = mСO₂ + (n /2)Н₂O, (4.41)

при сжигании в воздухе:

С_mН_n + (m+n/4)(O₂ + 3,76₂) =

= mСO₂ + (n/2)Н₂O + (m + n/4)3,76N₂, (4.42)

Иначе говоря, исходя из реакций полного горения составляющих газообразного топлива, следует, что каждый 1 м³ СО требует  0,5 м³ O₂ и после реакции образуется 1 м³ СО₂.

Подобные рассуждения можно повторить и для всех других состав­ляющих газообразного топлива. Если помнить, что количество горючих газов в топливе выражено в процентах и 1 м³ О₂ содержится в 4,76 м³ воздуха, м³/м³ тогда теоретическое количество воздуха будет определено:

V_в⁰ = 0,04760,5СО + 0,5Н₂ +1,5Н₂S +

+( m + n/4)С_mН_n – О₂ (4.43)

Теоретическое количество продуктов сгорания (V_г⁰, м³/кг). Используя те же стехиометрические выражения можно определить и теоретическое количество продуктов полного сгорания, которое представляет собой сумму:

V_г⁰ = + + + , (4.44)

где , , , – соответственно, теоретические объемы диоксида углерода, диоксида серы, азота и водяных паров, м³/кг, теоретический объем сухих газов:

V⁰_c.г = + + (4.45)

= ( + ) (4.46)

= 1,866(С^р/100) + 0,7(S^Р_л/100) =

= 0,0187(С^р + 0,375S^р_л) (4.47)

Основной азот поступает в топку с воздухом в количестве 79 % об., некоторое количество переходит из топлива, которого содержится в топливе не более  1,8 %, тогда:

₂^т = ^р/(1001,251) = 0,008^р,

V ⁰_N2 = 0,79V ^о_в + 0,008^р , (4.48)

вторым слагаемым можно пренебречь, тогда:

V ^о_N2 = 0,79V ^о_в (4.49)

При этих допущениях теоретический объем сухих газов, полученных от сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг, составит:

V⁰_c.г = 0,0187(С^р + 0,375S^р_л) + 0,79V ⁰_в. (4.50)

Количество водяные пары, получаемое в результате окисления водорода топлива, м³/кг, составит:

= 9Н^р/(1000,804) = 0,111Н^р (4.51)

где 9  количество воды, полученной при окислении 1 кг водорода, кг; 0,804  плотность 1 кг водяных паров при нормальных условиях, кг/м³.

Количество водяных паров, полученных от испарения влаги топ­лива, м³/кг:

= W^p/(1000,804) = 0,0124W^p (4.52)

Количество влаги, содержащейся в воздухе, принимают равным 13 г на 1 кг воздуха, тогда:

= dV ^о_в_в/(10000,804) = 0,0161V ^о_в (4.53)

Количество влаги, вносимой в топку в виде водяных паров (напри­мер, при распыливании жидкого топлива), W_ф при расходе, кг/кг, топ­лива определяет дополнительный объем водяных паров, м³/кг:

= W_ф/0,804= 1,24W_ф (4.54)

Полный теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания при сжигании твердого или жидкого топлива будет суммой, определенных выше в формулах (3.22)(3.25):

= + + + (4.55)

= 0,111Н^р + 0,0124W^p + 0,0161V ⁰_в + 1,24W_ф (4.56)

Теоретическое количество продуктов сгорания при сжигании газообразного топлива, м³/м³, находится из тех же условий, что были рассмотрены выше. Для трехатомных газов можно записать:

= 0,01(СО₂ + СО +Н₂S + mС_mН_n) (4.57)

Объем азота в продуктах сгорания

= 0,79V ⁰_в + 0,01₂ , (4.58)

тогда сухих газов

V⁰_c.г = 0,01(СО₂ + СО + Н₂S + mС_mН_n ) + 0,79V ⁰_в.

(4.59)

Теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания газообразного топлива

= 0,01(Н₂ + Н₂S + (n/2)С_mН_n + 0,124d_т) + 0,0161V⁰_в (4.60)

где d_т – влажность газообразного топлива (для осушенного газа принимается 10 г/м³).

Полный теоретический объем продуктов сгорания газообразного топлива, м³/м³:

V_г⁰ = + + , (4.61)

При приведенной величине уноса золы из топки (см. формулу 4.62) более 6 необходимо определять количество летучей золы в продуктах сгорания по выражению (4.63), кг/м³:

(4.62)

(4.63)

где а_ун  доля золы топлива в уносе; А^р  зольность топлива, %; Q^р_н  низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг; V_г  объем продуктов сгорания м³/кг.

Коэффициент избытка воздуха. Для полного сгорания топлива в топочные устройства подводят большее, чем теоретически необходимо, количество воздуха. Отноше­ние действительно поступившего количества воздуха V^д_в к теоретиче­ски необходимому количеству V⁰_в называют коэффициентом из­бытка воздуха и обозначают через :

 = V^д_в/V⁰_в. (4.64)

Величина коэффициента избытка воздуха для современных топоч­ных устройств колеблется от 1,02 (природный газа) до 1,451,70 (твердое топливо).

Азот N₂, вводимый с воздухом в топочное устройство, не участвует в процессе горения топлива, но при высоких температурах, близких к температуре горения топлива и температуре газов на выходе из топоч­ной камеры, и при определенных соотношениях N₂/O₂ дает весьма ток­сичные оксиды азота, вредно действующие на биосферу.

При работе котла под разрежением (давлением меньшим, чем атмосферное) внутрь котла через неплотности обмуровки и гарнитуры проникает дополнительный воздух. Этот воздух называется присосами  . Нормируемая, допустимая величина присосов приведена в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Нормативные присосы воздуха по газоходам котла

Газоходы котла	
топка с металлической обшивкой то же, без металлической обшивки то же, при тяжелой обмуровке пароперегреватель первый конвективный пучок второй конвективный пучок стальной экономайзер чугунный экономайзер с обшивкой то же, без обшивки воздухоподогреватель трубчатый на каждую ступень стальной газоход, на 10 м длины то же, кирпичный на 10 м длины	0,05 0,08 0,10 0,03 0,05 0,10 0,08 0,10 0,20 0,05 0.01 0,05 0,1

Если присосы воздуха, при экспериментальном определении, больше допустимых, то принимают меры по ликвидации неплотностей, после чего вторично определяют значения присосов.

Примеры №1 и №2. Определить теоретическое и действительное количество воздуха и продуктов сгорания, а также парциальные объемы трехатомных газов. Исходные данные приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6