Расчет процессов горения Практическое занятие 1 к курсу «Основы энергетики» Филинков Леонид Игоревич

Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхождения является углерод (его содержание составляет от 30 до 85% массы). В состав топлива также входят H, O, N, S, зола, влага

Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Так, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж, каменного угля - 22 МДж, бензина - 44 МДж. Эта величина прямо зависит от содержания в топливе углерода и водорода и обратно - от содержания кислорода и азота.

Другая важнейшая характеристика топлива - его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600 ° С, каменного угля °С, бензина ° С.

Элементарный состав твердых и жидких топлив Элементарный состав твердых и жидких топлив записывается в виде суммы содержания в них углерода C, водорода H, кислорода O, серы S, азота N, золы A и влаги W (в процентах). В зависимости от того, какая масса топлива берется в расчет, каждому числу присваивается соответствующий надстрочный индекс:

Коэффициенты пересчета масс топлива Заданная масса топлива Масса топлива, на которую делается пересчет ГорючаяСухаяРабочая Горючая1 Сухая 1 Рабочая 1

Пересчет элементарного состава топлива с одной влажности (зольности) на другую проводится по формуле: X p 1 = x p *(100 – W p 1 )/ (100 – W p ); X p 1 = x p *(100 – A p 1 )/ (100 – A p ).

Углерод Углерод является основным горючий элементом топлива. Его содержание на горючую массу составляет: в древесине и торфе 50-65%, в бурых углях 67-72%, каменных углях 76-90% и в антрацитах 92-94%, т.е. с увеличением геологического возраста твердого топлива содержание в нем углерода повышается. Состав жидких нефтяных топлив является достаточно стабильным и содержание в них углерода на горючую массу колеблется в узких пределах 86-87%. Углерод характеризуется высокий удельным тепловыделением. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется кДж теплоты. Следовательно, углерод по существу определяет тепловую ценность топлива.

Водород Водород является вторым важнейшим горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу составляет: в древесине и торфе 6,0-6,5 %, в бурых углях около 5,0 %, в каменных углях 4,0-5,5 % и антрацитах 1,5-2,5 %. В жидких нефтяных топливах содержание водорода значительно выше и на горючую массу составляет %. Тепловая ценность водорода почти в четыре раза выше тепловой ценности углерода. При полном сгорании 1 кг водорода и конденсации продуктов сгорания выделяется кДж тепла, без учета конденсации водяных паров кДж.

Сера Сера, является третьим, весьма нежелательным, горючим элементом топлива. В общем случае сера топлива состоит из серы органической (So), входящей в топливо в виде органических соединений, серы колчеданной (Sк), входящей в состав топлива в виде колчедана (FeS2), и серы сульфатной (Sс), входящей в топливо в виде, например, гипса (CaS04). Сера органическая и колчеданная образуют серу горючую (летучую) Sа = So + Sк. Сульфатная же сера не горит, и в элементарном составе топлива включается в золу. Содержание серы в топливах колеблется от 0 до нескольких %. При полном сгорании 1 кг серы летучей выделяется 9000 кДж тепла.

Кислород и азот Кислород и азот являются нежелательными элементами топлива. Наличие их в топлива снижает содержание горючих элементов. Кислород, кроме того, связывает часть горючих элементов топлива, обесценивает его. Азот в топлива способствует образованию в газообразных продуктах сгорания окислов азота, обладающих высокой токсичностью, значительно превышающей токсичность окислов серы.

Зола Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, которые остаются после полного сгорания горючей часта топлива. Содержание золы обычно дается на сухую массу. Зольность жидких топлив нормируется ГОСТами и по своему значению невелика. Например, для дизельного топлива не более 0,02%, для топочных мазутов не более 0,30 %. В твердых топливах содержание золы может достать значительных величин (до 30 % и более на сухую массу). Зола является внешним балластом топлива.

Влага Влага относится к внешнему балласту топлива. Наличие её (так же, как кислорода и азота) уменьшает содержание горючей части топлива. Это снижает тепловую ценность топлива, а также увеличивает расходы на его транспорт. Влага, кроме того, снижет полезное тепловыделение топлива, поскольку часть тепла при горении расходуется на превращение её в пар. Это ведёт также к понижению температурного уровня в зоне горения и ухудшает условия теплообмена.

Расчеты горения топлива Q p н = 339C p H p – 108,5 (O p – S p ) – 25W p кДж/кг

Минимальное (теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива), находится по формуле (в м 3 / кг) V 0 = 0,0889C p + 0,265H p – 0,0333 (O p – S p )

Действительное количество воздуха определяется произведением коэффициента избытка воздуха α и теоретического количества воздуха (в м 3 /кг) V д = αV 0

Элементарный состав газообразных топлив Элементарный состав газообразных топлив обычно приводится как процентное содержание отдельных газов: окиси углерода CO, водорода H 2, метана CH 4, этана C 2 H 6, кислорода O 2, азота N 2 и т.д.

Теплота сгорания газообразных топлив подсчитывается (в МДж/ м 3 ) как сумма произведений теплоты сгорания отдельных компонентов и их содержания в 1 м 3 газообразного топлива: Q c н = 0,126CO + 0,358СН 4 + 0,58С 2 Н 2 + 0,108Н 2 + …

Минимальный (теоретический) объем воздуха, необходимый для сжигания 1м 3 газообразного топлива, ( м 3 / м 3 ) V 0 = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н 2 + 1,5Н 2 S + (m + n/ 4)C m H n – O 2 ]

Теплотворная способность некоторых топлив Вид топлива Теплотворная способность твердого и жидкого топлива, ккал/кг (средние значения) Дрова с влажностью: 25% 30% 50% Торф кусковой (W=30%), Торф брикетный Подмосковный уголь 3000 Бурый уголь 4700 Каменный уголь Антрацит 7000 Нефть Мазут Местные виды топлива: солома, подсолнечная лузга, льняная костра, опилки

1 ккал = 4,19 кДж

Примеры решения задач

Задача 1 Определить количество воздуха, теоретически необходимое для сжигания 1 кг следующего состава: С p = 37,2%; Н р = 2,6%; S р = 0,6%; N р = 0,4%; О р = 12%; W p = 40%; А р = 7,2%.

Решение V 0 = 0,0889*37,2 + 0,265*2,6 – 0,033*(12,0 – 0,6) = 3,613 м 3 /кг

Задача 2 Определить состав рабочей массы топлива, если в таблицах указан следующий состав Ср = 38,6%; Нр = 2,6%; Sp = 3,8%; Np = 0,8%; Ор = 3,1%; Wp = 11,0%; Ар = 40,1%, а технический анализ показал, что действительная влажность составляет Wp1 = 16%. Какова при этом будет теплота сгорания?

Решение 1. Пересчет элементарного состава топлива с одной влажности на другую проводится по формуле X p 1 = X p *((100 – W p 1 )/ (100 – W p )); С р 1 = 36,4%Н р 1 = 2,4%О р 1 = 2,9% S p 1 = 3,6%N р 1 = 0,8%А р 1 = 37% 2. Теплота сгорания по формуле Д.И.Менделеева Q p Н1 = 339*С р *Н р 1 – 108,5*(О р 1 – S p 1 ) – 25W p 1 = 14,5 МДж/ кг.