Количество воздуха для горения

В качестве окислителя при сжигании топлива в топках печей и котлов, камерах ГТУ и ДВС применяют кислород атмосферного воздуха. Различают количество воздуха, теоретически необходимого для полного горения, и количество воздуха, действительно расходуемое на процесс.

Под теоретически необходимым расходом понимают то минимальное количество воздуха, которое требуется для полного окисления всех горючих элементов топлива. Его определяют из стехиометрических реакций горения и выражают либо в виде массового расхода L₀ в кг воздуха на кг топлива, либо в виде объемного расхода V₀ в м³ воздуха при нормальных физических условиях (НФУ) на кг топлива.

Если обозначить через G₀ массовое количество кислорода в кг, потребное для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива (с учетом содержащегося кислорода в топливе), то массовое количество воздуха теоретического для полного сгорания 1 кг топлива определяется по формуле (кг воздуха/кг топлива):

, (2.17)

где 0,232 – массовая доля кислорода в атмосферном воздухе.

Объемное же количество теоретически необходимого воздуха определяется по формуле (м³ воздуха/кг топлива):

, (2.18)

где 1,293 – плотность воздуха при нормальных физических условиях, кг/м³.

Количество кислорода, потребное для полного горения 1 кг топлива, можно представить как:

, (2.19)

где G_OC, G_OH, G_OS – количество кислорода, необходимое для окисления C^P/100 кг углерода, H^P/100 кг водорода и /100 кг серы, содержащихся в 1 кг топлива соответственно. G_OT=O^P/100 – количество кислорода, содержащегося в 1 кг топлива.

Из уравнения горения углерода (2.11) можно написать:

1 моль С + 1 моль О₂ = 1 моль СО₂;

12 кг С + 32 кг О₂ = 44 кг СО₂;

1 кг С + 8/3 кг О₂ = 11/3 кг СО₂.

Из этого следует, что для сжигания 1 кг С требуется 8/3=2,67 кг О₂, а для сжигания углерода, содержащегося в 1 кг топлива, потребуется (кг):

. (2.20)

Из уравнения горения водорода (2.14):

1 моль Н₂ + 0,5 моля О₂ = 1 моль Н₂О;

2 кг Н₂ + 16 кг О₂ = 18 кг Н₂О;

1 кг Н₂ + 8 кг О₂ = 9 кг Н₂О

или для сжигания 1 кг Н₂ требуется 8 кг О₂, а для сжигания водорода, содержащегося в 1 кг топлива, потребуется кислорода (кг):

(2.21)

Из уравнения горения серы (2.15):

1 моль S + 1 моль О₂ = 1 моль SО₂;

32 кг S + 32 кг О₂ = 64 кг SО₂;

32 кг S + 32 кг О₂ = 64 кг SО₂;

1 кг S + 1 кг О₂ = 2 кг SО₂.

Из этого вытекает, что для окисления 1 кг S необходимо израсходовать 1 кг О₂, а окисление серы, содержащейся в 1 кг топлива, потребуется кислорода (кг):

. (2.22)

Тогда суммарное количество кислорода в кг потребного для сжигания 1 кг топлива, запишется так:

. (2.23)

Подставляя полученное выражение в (2.14) и (2.15), получим формулы для вычисления по элементарному составу количества теоретически необходимого воздуха для горения:

; (2.24)

. (2.25)

При сжигании газообразного топлива количество теоретически необходимого воздуха выражают обычно в м³ на м³ при НФУ, определяют его по стехиометрическим реакциям (2.13), (2.14) и (2.16).

В окончательном виде формула для расчета принимает вид:

. (2.26)

Подача в топку и камеры воздуха в количестве, теоретически необходимом, практически не обеспечивает полноты сгорания топлива. Это приводит к так называемым потерям топлива от химической неполноты сгорания. Поэтому фактически в топку и камеры, как правило, подают воздуха несколько больше, чем это требуется теоретически. Этот излишек характеризуется коэффициентом избытка воздуха a, под которым понимают отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку, к теоретически необходимому расходу, т. е.:

, (2.27)

откуда

. (2.28)

, (2.29)

где G_возд и G_газа – массовый расход воздуха и топливного газа.

С увеличением a возрастают потери тепла с газообразными продуктами сгорания топлива, удаляемыми в атмосферу из топливосжигающих устройств (печей, котлов, двигателей), так как увеличивается их количество. С уменьшением a растут потери от химической неполноты сгорания топлива. Выбор оптимального значения a зависит от рода топлива, способа сжигания и конструктивных особенностей топок и камер и является технико-экономической задачей.

При проектировании топливосжигающих устройств коэффициент принимается согласно установленным нормам, в условиях эксплуатации – устанавливаются экспериментально.

К настоящему времени установились следующие значения коэффициентов избытка воздуха. В топках котлов и печей при сжигании в них газа и мазута a = 1,06…1,20, в газовых ДВС – a = 1,1...1,3, в карбюраторных ДВС a = 0,8,..1,1 и в дизелях a = 1,2...2,0 и более, в ГТУ a = 4...8.

При сжигании топлива в топках печей и котлов, которые, как правило, работают под разрежением, имеют место присосы воздуха через неплотности, т. е. неорганизованное поступление воздуха в топку. Этот воздух учитывается коэффициентом Da_пр, величина которого при проектировании нормируется. Присосы воздуха имеют место не только в топках, но и по всему газовому тракту печного или котельного агрегата. Уплотнением топок и газоходов добиваются минимальных значений Da_пр.

Список используемой литературы:

Гильманов Х.Х., Закиров М.А. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки: Учебное пособие. – Нижнекамск, Нижнекамский хим.-технол. ин-т (филиал) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 2013. – 128 с.