Объем продуктов сгорания газов

Расчет объема продуктов сгорания газов

В случае полного сгорания отходящие из топки котла газы будут содержать: во-первых, газы, получившиеся после сгорания углерода, водорода и летучей серы, а именно СО₂, Н₂О и SО₂, далее азот N^в₂ - нейтральный газ, пришедший в топку с кислородом воздуха, азот из состава топлива N^т₂ и, наконец, кислород избыточного воздуха. Для удобства подсчетов продукты сгорания разделяются на водяные пары и сухие газы. Таким образом, в случае полного сгорания газов состав сухих продуктов сгорания в процентах по объему равняется

CО₂+SО₂+N^в₂+N^т₂+О₂=100. (27)

При производстве газового анализа путем поглощения водным раствором едкого кали СО₂ из газов вместе с углекислотой поглощается в значительной степени и S0₂; таким образом, отсчет прибора дает сумму этих газов, выражаемую символом R0₂; тогда равенство (27) напишется так

RO₂+ N^в₂+N^т₂ +О₂=100°. (28)

Объем продуктов сгорания сухих газов, приходящихся на 1 кг сжигаемого топлива, можно подсчитать из уравнения

V_CO3+V_SO2+V_O3+V_N^B2+V_N^T2=V_С.Г. нм³/кг. (29)

Полный объем продуктов сгорания газов, включая и водяные пары, выражается суммой

V_С.Г. + V_в.п. = V_г нм³/кг. (30)

В случае неполного объема продуктов сгорания газов в состав отходящих из топки газов включаются различные по своей структуре углеводороды, окись углерода, а иногда и чистый водород. Газовый анализ, а также формулы подсчета объемов и прочих величин чрезвычайно осложняются, чем уменьшается возможность их широкого применения в эксплуатационной практике котельных. Рассматривая только котельные установки и исключая специальные печные устройства, где иногда по технологическому процессу требуется цести сгорание со значительной химической неполнотой, все стремление как конструктора, так и персонала, эксплуатирующего топку, должно быть направлено к тому, чтобы свести неполноту сгорания к возможному минимуму. Поэтому, как правило, котельная установка работает или при полном сгорании, или с незначительной химической неполнотой. Это обстоятельство позволяет для упрощения расчетов сделать допущение, считая, что единственным продуктом неполноты сгорания является один из наиболее трудно поддающихся выжиганию газ СО. При незначительности вообще потери от химической неполноты сгорания эта неточность не внесет сколько-нибудь существенных искажений в дальнейшие подсчеты. С учетом сделанных замечаний уравнения состава сухих отходящих газов в общем случае при наличии неполноты сгорания могут быть написаны так:

RO₂+N^B₂+N^T₂+O₂+CO=100% (31)

V_RO3+V_NB2+V_Nт2+V_O3+V_CO=V_с.г. нм³/кг (32)

При эксплуатации котельных установок и производстве их испытаний можно получить, в числе прочих данных сведения о составе рабочего топлива и его теплотворной способности, а также о количестве RО₂ и RО₂ + О₂ в процентах на состав сухих отходящих газов. Последние величины по большей части определяются прибором Орса (рис. 20).

Работа прибора Орса в основном сводится к тому, что от отсосанной из газоходов порции газов, равной 100 см³, отнимается СО₂ + SО₂ путем поглощения их водным раствором едкого кали (находится в поглощающем сосуде 1). Отмечая уменьшение объема, далее оставшийся газ перепускают в сосуд 2 с раствором пирогаллола в водном растворе едкого кали. Этот реактив обладает свойством поглощать не только СО₂ и SО₂, которых в остатке газов уже нет, но и О₂. Таким образом, первый отсчет прибора дает RО₂ %; второй - RО₂ % +О₂ %. Экспериментатор подсасывает из газохода свежие порции отходящих газов при помощи резиновой груши, из противоположного конца которой газ выбрасывается наружу. При этой операции трехходовой кран устанавливается так, чтобы прибор был отъединен от газохода.

На пути к прибору газ проходит через V-образную трубку, наполненную стеклянной ватой и водой.

Назначение стеклянной ваты - задержать частички золы, уносимые со струйкой газа, которые, попадая в капиллярные трубки прибора, их быстро засаривают. Проходя через воду, газ охлаждается и полностью насыщается водяными парами.

Приступая к газовому анализу, экспериментатор, соответственно переключая трехходовой кран, засасывает в бюретку 100 см³ газа. Засасывание производится путем опускания соединяющейся с бюреткой резиновой трубкой склянки, в которую наливается вода.

Невзирая на то, что анализ будет производится с газом, насыщенным водяными парами, получаемые отсчеты дают процентное содержание RО₂ и RО₂+О₂ по отношению к сухим газам, как это требуется при расчетах, связанных с проектированием и эксплуатацией котельных установок. Высказанное подтверждается ниже.

В 100 см³ газа, находящегося под атмосферным давлением и имеющего температуру котельного помещения, содержится примерно 4 см³ водяного пара.

Перепуская газ, находящийся в бюретке, в первый поглощающий сосуд с раствором едкого кали (это производится несколько раз при помощи поднятия и опускания склянки), предположим, что получили уменьшение объема на 10%.

В таком случае в остатке имеется

Vc.r + Vв.п = 90 см³ =96*9/10 + 4*9/10=86,4+3,6см².

Убыль сухого газа равняется 96-86,4 = 9,6, т. е. те же 10% и, следовательно, RО₂ = 10%.

Величины отдельных составляющих объема продуктов сгорания газов можно подсчитать, пользуясь весовыми соотношениями основных реакций.

1. Углекислота (удельный вес при 0° и 760 мм рт. ст. у₀= 1,964*) С + О₂ = СО₂; 12+32=44.

При полном сжигании 1 кг углерода получается

44/1,964*12=1,87СО₂ нм³

и, обратно, на 1 нм³ СО₂ требуется

1 : 1,87 = 0,536 кг углерода.

Таким образом, при сжигании 1 кг рабочего топлива получается углекислоты

2. Окись углерода (у₀= 1,25 кг/нм³)

2С + О₂ = 2СО; 24+32=56.

При неполном сжигании 1 кг углерода не в СО₂, а в СО получается окиси углерода

56/1,25*2,12= 1,87 нм³

и, обратно, на 1 нм³ СО расходуется углерода 1 : 1,87 = 0,536 кг, т. е. такое же количество, как и на 1 нм³ СО₂ при полном сгорании.

Следовательно, при частичной неполноте сгорания, когда часть углерода топлива сгорает в СО, суммарный объем получившихся СО₂ и СО остается неизменным и подсчитывается по уравнению

3. Сернистый ангидрид (у₀ = 2,86 кг/нм³)

S+О₂=SО₂; 32,06 + 32 = 64,06.

На 1 нм³ SО₂ в газах приходится летучей серы

4. Объем продуктов сгорания газов рассмотренных сухих газов

Обозначая, как указывалось ранее:

Содержание данного газа в процентах к объему сухих газов определяется уравнениями

Из этих выражений, в частности из последнего, учитывая уравнение (37), определяют V_c.г:

В случае полного горения СО = 0 и уравнение примет вид

Если бы по RО₂ потребовалось определить SО₂, то эту зависимость можно установить, воспользовавшись только что приведенными соотношениями между элементами состава топлива и объемами газов:

5. Объем водяных паров. Водяные пары в продуктах сгорания образуются в результате испарения воды, находящейся в топливе и в результате сгорания водорода. Так мак принимается, что
единственным продуктом неполного сгорания является окись углерода, то объем водяных паров остается неизменным как при полном, так и при неполном сгорании. Учитывая реакцию горения водорода 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О, 4+32 = 36, находят вес водяных паров, приходящийся на 1 кг сжигаемого топлива:

К этим водяным парам при точных расчетах добавляется вес водяных паров, попавших в топку с воздухом. Обозначая через d влагосодержание воздуха в граммах на 1 кг сухого воздуха (обычно около 10 г), вес паров воздуха W_B может быть подсчитан так:

Подача воздуха в поддувало топки может производиться при помощи вентилятора или иногда путем эжектирования воздуха струей пара. В таком случае этот пар также попадает в отходящие газы. При сжигании мазута иногда применяется пар для распиливания топлива. Количество пара, идущего на эжекцию или распыливание, зависит от конструкции соответствующих топочных приборов. Обыкновенно на эжекцию расходуется Wв = 0,7-0,8 кг пара на 1 кг сжигаемого твердого топлива, для распыливания мазута Wв=0,2-0,4 кг на 1 кг мазута.

С учетом добавочного пара формула (41) в своем общем виде напишется так:

Так как удельный вес водяного пара у₀= 0,805 кг/нм³, то объем его получится

Полный объем продуктов сгорания газов [с учетом уравнений (38) и (44)] на 1 кг сжигаемого топлива выражается равенством

В частных случаях при полном горении (СО = 0) и при отсутствии парового дутья (W_ф=0) уравнение (45) несколько упрощается.

Объем продуктов сгорания газов можно пользоваться приближенным соотношением

Vг=αV0.(46)