§ 13. Объем воздуха. Объем и масса продуктов сгорания
Объем воздуха, объем и масса продуктов сгорания определяются на 1 кг твердого, жидкого или на 1 м 3 сухого газообразного топлива при нормальных условиях.
Объем воздуха, необходимый для сгорания топлива. Теоретический (при коэффициенте избытка воздуха в топке αт=1) объем сухого воздуха (м 3 /кг), необходимый для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, определяется по формуле
V 0 =0,089C p +0,226H p +0,033(S -O p ). (1.27)
Теоретический объем воздуха (м 3 /м 3 ), необходимый для полного сгорания 1 м 3 сухого газообразного топлива, определяется по формуле
В формуле (1.27) содержание элементов топлива выражается в процентах на 1 кг массы топлива, а в (1.28) содержание горючих газов СО, Н2, H2S, СН4 и т. д. — в процентах по объему.
Для сгорания смеси двух твердых, жидких или газообразных топлив теоретический объем сухого воздуха определяется по формуле
V =b1V +(1-b1) V , (1.29)
где b1 — массовая доля одного из топлив в смеси.
Действительный объем воздуха (м 3 /кг, м 3 /м 3 ), поступивший в топку, определяется по формуле
Vд=αтV 0 , (1.30)
где αт— коэффициент избытка воздуха в топке.
Состав и объем продуктов сгорания топлива. При полном сгорании топлива продукты сгорания содержат газы: СО2, SO; N2, О2 и пары воды Н2О, т. е.
Полный объем продуктов сгорания Vг(м 3 /кг) представляет собой сумму объемов сухих газов Vcг и водяных паров VHгO:
где VROг=VCOг+VSOг — объем трехатомных газов, м 3 /кг; VNг+VOг — объем двухатомных газов, м 3 /кг.
Для твердых (кроме сланцев) и жидких топлив теоретические объемы (м 3 /кг) продуктов полного сгорания при αт=1 определяются по формулам:
объем двухатомных газов
объем трехатомных газов
VROг=0,0187(C P +0,375S ); (1.33)
объем сухих газов
V =VROг+ =0,0187(C P +0,375S ) (1.34)
объем водяных паров
V =0,0124(9H p +W p )+0,0161V 0 ; (1.35)
полный объем продуктов сгорания
V =V +V =0,0187(C P +0,375S ) +0,0124(9H p +W p )+0,0161V 0 .
Для сланцев объем трехатомных газов определяется по формуле
V =V +[0,509(СО2) /100] K=0,0187 (C p +0,375S )+[0,509(CO2) /l00]К, (1.37)
где K — коэффициент разложения карбонатов: при слоевом сжигании К=0,7, при камерном — 1,0.
Для газообразного топлива теоретические объемы продуктов сгорания (м 3 /м 3 ) при αт=1 определяются по формулам:
объем двухатомных газов
объем трехатомных газов
объем сухих газов
V =V +V ; (1.40)
объем водяных паров
где dг — влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м 3 сухого газа, г/м 3 ;
полный объем продуктов сгорания
V =V +V . (1.42)
Для твердых (кроме сланцев), жидких и газообразных топлив объемы продуктов полного сгорания (м 3 /кг) при αт >1 определяются по формулам:
объем сухих газов
Vсг=V +(αт-1)V 0 =V +V +(αт-1)V 0 ; (1.43)
объем водяных паров
V =V +0,0161(αт-1)V 0 ; (1.44)
полный объем продуктов сгорания определяется по формуле (1.31).
Для сланцев полный объем продуктов сгорания (м 3 /кг) при αт >1:
Vгк=V +V +V =V +V +0,0124(9H p +W p )+0,0161αтV 0 . (1.45)
Содержание (%) СО2, SO2 и RO2 в сухих газах при полном сгорании топлива определяется по формулам:
Максимальное содержание (%) трехатомных газов RO в сухих газах при полном сгорании топлива
RO =21/(l+β), (1.49)
где β — характеристика топлива:
для твердого и жидкого
β =2,35(H p -0,126O p +0,04N p )/(C p +0,375S ); (1.50)
Содержание (%) азота N2 и кислорода О2 в сухих газах при полном сгорании топлива
Масса продуктов сгорания:
для твердого (кроме сланцев) и жидкого топлива (кг/кг)
Мг=1-0,01А р +1,306αтV 0 ; (l.54)
для газообразного топлива (кг/м 3 )
Мг= +0,001dгт+1,306αтV 0 , (1.55)
где — плотность сухого газа, кг/м 3 ; dгт — содержание влаги в топливе, кг/м 3 ;
для сланцев (кг/кг)
Mгк=1-0,01А +1,306αтV 0 +0,01(СО2) К, (1.56)
где А — расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов, %; К — коэффициент разложения карбонатов: при слоевом сжигании К=0,7, при камерном — 1,0.
Расчетное содержание (%) золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов
А =А р +(1-К)(СО2) . (1.57)
Для твердых топлив концентрация золы в продуктах сгорания определяется по формуле
μзл=А р аун/(100Мг), (1.58)
где аун — доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания.
Коэффициент избытка воздуха в топке. При полном сгорании топлива коэффициент избытка воздуха в топке определяется по формуле
где О2 и N2 — содержание кислорода и азота в газах, %.
Задача 1.27. Определить объем продуктов полного сгорания на выходе из топки, а также теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сгорания 1 м 3 природного газа Ставропольского месторождения состава: СО2=0,2%; СН4=98,2%; С2Н6=0,4%; С3Н8=0,1%; С4Н10=0,1%; N2=l,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,2.
Решение: Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м 3 топлива, определяем по формуле (1.28)
Действительный объем воздуха по формуле (1.30)
Vд=αтV 0 =1,2·9,51=11,41м 3 /м 3 .
Объем сухих газов при αт=1,2, по формуле (1.43),
Vсг=V +(αт-1)V 0 =V +V +(αт-1)V 0 = =0,01(0,2+98,2+2·0,4+3·0,1+4·0,1)+0,79·9,51+1,0/100+(1,2-1)9,51=10,42 м 3 /м 3 .
Объем водяных паров при αт=1,2, по формуле (1.44),
Объем продуктов полного сгорания, по формуле (1.31),
Vг=Vсг+V =10,42+2,17=12,59 м 3 /м 3 .
Задача 1.28. Определить на выходе из топки объем продуктов полного сгорания 1 кг карагандинского угля марки К ее става: С р =54,7%; Н р =3,3%; S =0,8%; N p =0,8%; O p =4,8%, А р =27,6%; W p =8,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Решение: Теоретический объем воздуха, необходимый дл полного сгорания 1 кг топлива, определяем по формуле (1.27):
V0=0,089C p +0,266Н р +0,033(S -О р )=0,089·54,7+0,266·3,3+0,033(0,8-4,8)=5,61 м 3 /кг.
Объем сухих газов при αт=1,3, по формуле (1.43),
Vсг=V +V +(αт-1)V 0 =0,0187(C p +0,375S )+0,79V 0 +0,8N p /100+(αт-l)V 0 = =0,0187(54,7+0,375·0,8)+0,79·5,61+0,8·0,8/100+(1,3-1)·5,61=7,15 м 3 /кг.
Объем водяных паров при αт=1,3, по формуле (1.44),
V =V +0,0161(αт-1)V 0 =0,0124(9H p +W р )+0,0161αтV 0 = =0,0124(9·3,3+8)+0,0161·1,3·5,61=0,58 м 3 /кг.
Объем продуктов полного сгорания, по формуле (1.31),
Vг=Vcг+V =7,15+0,58=7,73 м 3 /кг.
Задача 1.29. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для слоевого сжигания 1000 кг донецкого угля марки Г состава: С р =55,2%; Н р =3,8%; S =3,2%; N р =1,0%; О р =5,8%; А р =23,0%; W p =8,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: V0 = 5830 м 3 ; Vд=7579 м 3 .
Задача 1.30. Определить объем воздуха, необходимый для сжигания 800 кг/ч ленгерского угля марки БЗ состава: С р =45,0%; Н р =2,6%; S =l,7%; N p =0,4%; О р =9,9%; A р =11,4%; W p =29,0%, и 500 кг/ч экибастузского угля марки СС состава: С р =43,4%; Н р =2,9%; S =0,8%; N p =0,8%; O p =7,0%; A р =38,1%; W p =7,0%, при коэффициентах избытка воздуха в топочной камере соответственно αт=1,4 и 1,3.
Ответ: Vд=7823 м 3 /ч.
Задача 1.31. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сжигания 2000 м 3 /ч природного газа Ставропольского месторождения состава: СО2=0,5%; СН4=92,8%; С2Н6=2,8%; С3Н8=0,9%; С4Н10=0,4%; С5Н12=0,1%; N2=2,5%; и 1000 м 3 /ч природного газа Ленинградского месторождения состава: CO2=0,1%; СН4=89,7%; С2Н6=5,2%; С3Н8=1,7%; С4Н10=0,5%; С5Н12=0,1%; N2=2,7%, при коэффициентах избытка воздуха в топочной камере соответственно αт=1,15 и 1,1.
Ответ: V0=29360 м 3 /ч; Vд=33264 м 3 /ч.
Задача 1.32. Определить теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для слоевого сжигания 2000 кг кузнецкого угля марки Д, если известен состав его горючей массы: C г =78,5%; Н г =5,6%; S = 0,4%; N г =2,5%; O г =13,0%, зольность сухой массы А с =15,0% и влажность рабочая W p =12,0%. Коэффициент избытка воздуха в топочной камере αт=1,3.
Ответ: V0= 12 040 м 3 ; Vд =15 652 м 3 .
Задача 1.33. Определить теоретический объем воздуха, необходимый для слоевого сжигания 1500 кг ленинградских сланцев, если известен состав их горючей массы: С г =74,0%; Н г =9,5%; S =6,l%; N г =0,4%; О г =10,0%; А р =46,0%; W p =11,5% и(СО2) =16,4%.
Ответ: V0=3765 м 3 .
Задача 1.34. В топке котла сжигается смесь, состоящая из 2·10 3 кг кузнецкого угля марки Д состава: C =58,7%; Н =4,2%; (S )1=0,3%; N =l,9%; O =9,7%; A =13;2%; W =12,0%, и 3·10 3 кг кузнецкого угля марки Г состава: С =66Д%; Н =4,7%; (S )2=0,5%; N =1,8%; O =7,5%; А =11,0%; W =8,5%. Определить теоретический объем сухого воздуха, необходимый для сгорания смеси.
Ответ: V =32700 м 3 .
Задача 1.35. В топке котла сжигается воркутинский уголь марки Ж состава: С p =59,6%; Н р =3,8%; S =0,8%; N p =l,3%; О р =5,4%; A р =23,6%; W p =5,5%. Определить объем сухих газов при полном сгорании топлива. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: Vсг=7,84 м 3 /кг.
Задача 1.36. Определить объем водяных паров при полном сгорании в слое 10 кг/ч фрезерного торфа состава: С р =24,7% Н р =2,б%; S =0,l%; N p =l,l%; О р =15,2%; А р =6,3%; W р =50,0% при коэффициентах избытка воздуха в топке αт=1,3 и 1,4.
Ответ: V =963 м 3 /ч; V =965 м 3 /ч.
Задача 1.37. В топке котла сжигается 600 м 3 природного газа Угерского месторождения состава: СО2=0,2%; СН4=98,5%; С2Н6=0,2%; С3Н8=0,1%; N2=l,0%. Определить объем продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: Vг=7210 м 3 .
Задача 1.38. Определить объем сухих газов, получаемых при полном сгорании в слое 800 кг кузнецкого угля марки Д, если известен состав его горючей массы: C г =78,5%; Н г =5,6%; S =0,4%; N г =2,5%; О г =13,0%; зольность сухой массы А г =15,0% и влажность рабочая W p =12,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: Vcг=6141 м 3 .
Задача 1.39. Определить объем двух- и трехатомных газов и содержание СО2 и SO2 в сухих газах, получаемых при полном сгорании 1 кг донецкого угля марки Т состава: С р =62,7%; Н р =3,1%; S =2,8%; N p =0,9%; О р =1,7%; А р =23,8%; W p =5,0% если известно, что дымовые газы при полном сгорании содержат RO =18,8%.
Решение: Объем трехатомных газов определяем по форму (1.33):
V =V +V =0,0187(С p +0,375S )=0,0187(62,7+ 0,375·2,8)=1,19 м 3 /кг.
Объем сухих газов находим по формуле (1.48):
Объем двухатомных газов V =Vcг-V = 6,33-1,19=5,14 м 3 /кг.
Содержание СО2 в сухих газах определяем по формуле (1.46):
Содержание SO2 в сухих газах находим по формуле (1.47):
Задача 1.40. Определить объем трехатомных газов и содержание в них СО2 и SO2, получаемых при полном сгорании 1 кг ткибульского угля марки Г состава: С р =45,4%; Н р =3,5%; S =1,3%; N p =0,9%; О p =8,9%; A р =27,0%; W p =13,0%, если известно, что дымовые газы содержат RO =18,7%.
Ответ: V =0,86 м 3 /кг; СО2=18,5%; SO2=0,2%.
Задача 1.41. Определить объем сухих дымовых газов, получаемых при сжигании 1000 кг фрезерного торфа состава: С р =24,7%; Н р =2,6%; S =0,1%; N p =l,l%; O p =15,2%; A р =6,3%; W p =50,0%, если известно, что дымовые газы при полном сгорании топлива содержат RO2=15,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке αт= 1,3.
Ответ: Vcг=3066 м 3 .
Задача 1.42. В топке котла сжигается 5·10 3 кг/ч донецкого угля марки Г состава: С р =0,2%; Н р =3,8%; S =3,2%; N p =l,0%; О р =5,8%; А р =23,0%; W p =8,0%. Определить, на сколько был увеличен объем подаваемого в топку воздуха, если известно, что при полном сгорании топлива содержание RO2 в дымовых газах снизилось с 16 до 14%.
Ответ: Vв=5949 м 3 /ч.
Задача 1.43. В топке котла сжигается 2·10 3 кг/ч малосернистого мазута состава: С р =84,65%; Н р =11,7%; S =0,3%; О р =0,3%; А р =0,05%; W p =3,0%. Определить, на сколько был увеличен объем подаваемого в топку воздуха, если известно, что при полном сгорании топлива содержание RO2 в дымовых газах снизилось с 15 до 12%.
Ответ: Vв= 6666 м 3 /ч.
Задача 1.44. В топке котла во время испытаний сожжено 3·10 3 кг/ч кузнецкого угля марки Д состава: С p =58,7%; Н р =4,2%; S =0,3%; N p =l,9%; О р =9,7%; A р =13,2%; W p =12,0%. В течение первой половины испытаний в продуктах полного сгорания топлива получено RO2=18%, а в течение второй половины испытаний RO2 уменьшилось до 15%. Определить, какой объем воздуха добавлен в топку между первой и второй половинами испытаний.
Ответ: Vв= 4650 м 3 /ч.
Задача 1.45. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг ленинградских сланцев состава С р =20,6%; Н р =2;7%; S =l,7%; N p =0,l%; O p =2,8%; А р =46,0%; W p =11,5%; (СО2) =16,4%. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: Vг =2,96 м 3 /кг.
Задача 1.46. Определить объем продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 2·10 3 кг/ч карагандинского угля марки К состава: С р =54,7%; Н р =3,3%; S =0,8%; N p =0,8%; О р =4,8%; А р =27,6%; W p =8,0%, если известно, что дымовые газы содержат RO2=18%.
Ответ: Vг=12560 м 3 /ч.
Задача 1.47. Определить максимальное содержание трехатомных газов в продуктах полного сгорания 1 кг донецкого угля марки А состава: С р =63,8%; Н р =1,2%; S =l,7%; N p =0,6%; О р =1,3%; А р =22,9%; W p = 8,5%.
Ответ: RO =20,2%.
Задача 1.48. В топке котла сжигается смесь из 2·10 3 кг, донецкого угля марки Д состава: С =49,3%; H =3,б%; (S )1=3,0%; N =l,0%; О =8,3%; A =21,8%; W =13,0% и 3·10 3 кг/ч донецкого угля марки Г состава: С =55,2%; Н =3,8%; (S )2=3,2%; N =1,0%; O =5,8%; A =23%; W =8%. Определить объем газов, получаемых при полно сгорании смеси, если коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: Vг=37 480 м 3 /ч.
Задача 1.49. Определить объем газов, получаемых при полном сгорании 1000 м 3 /ч природного газа Радченковского мест рождения состава: СО2=0,1%; СН4=85,8%; С2H6=0,2%; С3Н8=0,1%; С4Н10=0,1%; N2=13,7%. Коэффициент избытка воздуха в топочной камере αт=1,1.
Ответ: Vг=10 230 м 3 /ч.
Задача 1.50. В топке котла сжигается 1 кг артемовско угля марки БЗ состава: С р =35,7%; Н р =2,9%; S =0,3%; N р =0,7%; О р =12,1%; А р =24,3%; W p =24,0%. Определить объем продуктов сгорания и содержание в них кислорода О2, если RO2=18%.
Ответ: Vг=4,16 м 3 /кг; О2=1,3%.
Задача 1.51. В топке котла сжигается 1 кг анадырского угля марки БЗ состава: С р =50,1%; Н р =4,0%; S =0,1 N p =0,7%; О р =12,2%; А р =11,9%; W p =21,0%. Определить коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если RO2 = 16%.
Задача 1.52. В топке котла сжигается донецкий уголь марки Т состава: С р =62,7%; Н р =3,1%; S =2,8%; N p =0,9%; O p = l,7%; А р =23,8%; W p =5,0%. Определить содержание азота N2 в продуктах сгорания и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если RO2=15,0%.
Ответ: V =5,09 м 3 /кг; αт=1,26.
Задача 1.53. Определить объем сухих газов и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании природного газа Саратовского месторождения состава: СО2=1,2%; СН4=91,9%; С2Н6=2,1%; С3Н8=1,3%; С4Н10=0,4%; С5Н12=0,1%; N2=3,0%, если известно, что продукты сгорания содержат RO2=16,0% и О2=4,0%.
Ответ: Vсг=6,44 м 3 /м 3 ; αт=1,23.
Задача 1.54. В топке котла сжигается 1 кг райчихинского угля марки Б1 состава: С р =30,4%; Н р =1,7%; S =0,3%; N p =0,5%; О р =12,2%; A р =7,9%; W p =47,0%. Определить содержание кислорода О2 в продуктах сгорания и коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива, если RO2=16,0%.
Задача 1.55. Определить массу продуктов сгорания и концентрацию золы в продуктах сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг ленинградских сланцев состава: С р =20,6%; H p =2,7%; S =1,7%; N p =0,l%; О р =2,8%; A р =46,0%; W p =11,5%; (СО2) =16,4%, если, известно, что доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания, аун=0,95. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Решение: Расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов определяем по формуле (1.57):
А =А р +(1-К)(СО2) =46,0+(1-0,1)16,4=50,9%.
Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, находим по формуле (1.27):
V 0 =0,089С р +0,266Н р +0,033(S -О р )=0,089·20,6+0,266·2,7+0,033(1,7-2,8)=2,52 м 3 /кг.
Масса продуктов сгорания, по формуле (1.56),
Mгк=1-0,01A +1,306αтV 0 +0,01(СО2) K=1-0,01·50,9+1,306·1,3·2,52+0,01·16,4·0,7= =4,9 кг/кг.
Концентрация золы в продуктах сгорания, по формуле (1.58),
μзл=А р аун/(Мгк)=(46·0,95)/(4,9·100)=0,0892.
Задача 1.56. Определить массу продуктов сгорания и концентрацию золы в продуктах сгорания, получаемых при полном сгорании 1 кг карагандинского угля марки К состава: С р =54,7%; Н р =3,3%; S =0,8%; N p =0,8%; О р =4,8%; А р =27,6%; W p =8,0%, если известно, что доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания, аун=0,85. Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,3.
Ответ: Мг=9,25 кг/кг; μзл=0,0253.
Задача 1.57. Определить массу продуктов сгорания, получаемых при полном сгорании 1 м 3 природного газа Ставропольского месторождения состава: СО2=0,2%; СН4=98,2%; С2Н6=0,4%; С3Н8=0,1%; С4Н10=0,1%; N2=l,0%, если известно, что плотность сухого газа ρ =0,728 кг/м 3 . Коэффициент избытка воздуха в топке αт=1,15.