Теплотехника - Чечеткин А.В.
Скачать (прямая ссылка):
При относительно низкой температуре (< 900 °С) скорость химической реакции меньше, чем скорость диффузии окислителя к поверхности углеродного тела, скорость горения определяется кинетикой химической реакции на поверхности.
При очень высоких температурах скорость химической реакции настолько возрастает, что процесс горения в целом начинает определяться скоростью диффузии, скоростью подвода окислителя, т. е. гидродинамическими факторами. Зависимость изменения скорости горения от температуры г и соотношение кинетической и диффузионной областей горения показано на рис. 3.4. Скорость диффузионного горения не зависит от температуры и растет с увеличением относительной скорости и/ газового потока окислителя и уменьшением размера й. частиц.
Часто процесс горения твердого топлива характеризуется скоростями
с + о2
2С + 02
С + со2
2CO + 02
2СО
со2
2CO
2С02.
(а) (б) (в) (г)
238
горения, лежащими в промежуточной области. Для оценки возможности интенсификации горения твердого топлива можно воспользоваться выражением для скорости выгорания углерода :
оС с!т
где /ср - результирующая константа скорости реакции; С — концентрация окислителя; 5„ — относительная поверхность топлива в единице объема топочной камеры, занятого горящим топливом.
Промежуточная область
t, "С
Рис. 3.4. Изменение скорости горения от температуры
§ 3.3. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВ
Все расчеты процессов горения топлив ведутся на основе стехиометри-ческих уравнений.
Расход воздуха на сжигание 1 кг топлива. Объем воздуха, необходимый для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, определяется на основе расчета стехиометрических уравнений реакции горения. Ниже приведены реакции полного горения топлива:
С + 02 = Ш2; 2Н2 + 02 = 2Н20; S + 02 = S02.
Относя эти уравнения к 1 кг топлива и выражая расход кислорода в объемных единицах, получим необходимый объем (м3) кислорода на 1 кг каждой составляющей горючей массы топлива:
для углерода
12,01 кг С + 32 кг 02 = 44,01 кг Ш2; для дожигания 1 кг углерода до С02 требуется кислорода
1 кг С + 1,866 м3 02 = 1,866 м3 С02. Аналогично ведется расчет для водорода:
4 кг Н2 4- 32 кг 02 = 36 кг Н20; 1 кг Н2 + 5,56 м3 02 = 11,12 м3 Н20.
Для серы
32 кг Sop+K + 32 кг 02 = 64 кг S02; 1 кг Sop+B + 0,7 м3 02 = 0,7 м3 S02.
Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива и вычитая кислород топлива, получим теоретически необходимый объем кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива VGi (м3/кг) при нормальных условиях:
К - 1»866 + 5,56-^-+ 0,7-%— (3.25)
°J 100 100 100 100ро2
239
где Ср, Нр, 8Р, Ор ¦ массовое содержание горючих элементов в топливе, %, которое берут на основании лабораторных анализов или из таблиц топлив; ро2 — плотность кислорода при нормальных физических условиях, равная 1,428 кг/м3.
Для сгорания 1 м3 газового топлива теоретически необходимый объем кислорода (м3/м3) рассчитывается аналогично:
У°о2 = 0,01
0,5СО + 0,5Н2 + 1,5Н28 + + ~^СтН„ - О;
(3.26)
В атмосферном воздухе содержится 21 % кислорода по объему, поэтому теоретический его расход на горение составляет, м3/кг (м3/м3):
V0 = КО2/0,21- (3-27)
Объем теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива выразится формулой, м3/кг:
V0 = 0,0889 (Ср + 0,3758рр+к) + 0,265НР - 0,ОЗЗЗОр. (3.28)
При сжигании сухого газового топлива расчет ведется по формуле, м3/м3:
V0 = 0,0476
0,5СО + 0,5Н2 + 1,5Н28 + > ( т + ~) СИН„ - 02
(3.29)
В практических условиях работы топочных устройств не удается осуществить полное горение топлива с теоретическим количеством воздуха. Причинами этого могут быть неравномерная подача воздуха, плохое перемешивание воздуха с топливом, несовершенства топочных устройств и др. Для достижения полноты горения топлива воздух в топочную камеру подают с некоторым избытком Ул > V0. Отношение действительного объема воздуха Уа к теоретически необходимому К0 называется коэффициентом избытка воздуха:
а = Уа/У° > 1, (3.30)
откуда действительный объем воздуха
Уп = (3.31)
Избыточный объем воздуха
К,зб = АК= Уд — V0 = (а — 1) V0. (3.32)
Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа его сжигания колеблется в пределах 1, 01 ... 1,5 и выше. Чем благоприятнее условия для смешивания воздуха с топливом, тем избыток воздуха может быть меньшим.
Состав и ©бьем продуктов сгорания 1 кг топлива. При полном сгорании топлива топочные газы содержат продукты полного окисления элементов горючей массы топлива, т. е. С02 и Н20. Поэтому состав сухих газов в процентах по объему может быть представлен суммой:
С02 + 802 + 02 + N2 = 100. (3.33)
Обозначая объем трехатомных газов 1Ю2, получим выражение (3.15)
240
в виде
R02 + 02 + N2 = 100. (3.34)
Полный объем топочных газов представляет сумму сухих газов К. г и водяных паров Ув. ,„ м3/кг:
У = Vc.r + К.п, (3-35)
ROo СЬ ^N->
где к-.г = vROl + v0l + kN2 и kROz = Viorf; Кз2 = K.rl~; kNj = K.^.
Для твердых и жидких топлив (кроме сланцев) объем трехатомных газов определяется, как и расход кислорода, на основании расчета уравнения соответствующей реакции. Для углерода С + 02 = С02, или 12 кг С+ 32 кг 02 = 44 кг С02; 1 кг С + (32/12) кг 02 = = 44/(12• 1,964) м3 С02, т.е. на 1 кг углерода топлива получается следующий объем углекислого газа:
