Практикум по расчету горения топлива

Б. М. Гришко, П. А. Трубаев





                ПРАКТИКУМ ПО РАСЧЕТУ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА




Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 662.61
ББК 31.35
     Г85



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. (ГОУВПО «ДонНТУ») А. Б. Бирюков;
д-р техн. наук, проф. (НИУ «МЭИ») Е. Г. Гашо;
д-р техн. наук, проф. (ФГБОУ ВО «ВГТУ») Н. В. Мозговой;
канд. техн. наук, доц. (ФГБОУ ВО «БГТУ им. В. Г. Шухова») Д. Ю. Суслов




    Гришко, Б. М.
Г85 Практикум по расчету горения топлива : учебное пособие / Б. М. Гришко, П. А. Трубаев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 140 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1296-4

           Рассмотрены расчеты горения по составу топлива и по известному составу отходящих газов, расчет температуры горения, приведены примеры расчетов и контрольные задания.
           Для студентов теплоэнергетических и теплотехнических направлений подготовки.

УДК 662.61
                                                             ББК 31.35






На обложке изображена горелка фирмы KIPI (https://kipi.pl/)








ISBN 978-5-9729-1296-4

     © Гришко Б. М., Трубаев П. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    СОДЕРЖАНИЕ


Введение............................................................7
1. Состав и теплота сгорания топлива................................12
1.1. Состав топлива, пересчет состава топлива с одной массы на другую.12
Основные понятия и расчетные формулы................................12
  Пример 1. Перевод горючей массы топлива на рабочую...............14
  Пример 2. Пересчет состава твердого топлива......................14
  Пример 3. Расчет состава рабочей массы топлива при изменении влажности топлива................................................15
  Пример 4. Расчет плотности природного газа.......................16
Контрольное задание № 1............................................16
1.2. Теплота сгорания топлива......................................17
Основные понятия и расчетные формулы...............................17
  Пример 5. Расчет теплоты сгорания рабочей массы топлива..........18
  Пример 6. Расчет теплоты сгорания рабочей массы топлива при изменении влажности..........................................18
  Пример 7. Расчет теплоты сгорания газообразного топлива..........19
Контрольное задание № 2...............................................20
2.  Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания по составу топлива....21
2.1. Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания для твердого и жидкого топлива.....................................21
Основные расчетные формулы.........................................21
  Пример 8. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания по составу твердого топлива......................................22
  Пример 9. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания по составу мазута................................................23
  Пример 10. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания по составу дров..................................................25
Контрольное задание № 3............................................26
2.2. Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания для газообразного топлива..........................................26
Основные расчетные формулы.........................................26
  Пример 11. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания по составу природного газа.......................................28
Контрольное задание № 4............................................29
2.3. Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания.......29
Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания по составу твердого и жидкого топлива..............................29
Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания по составу газообразного топлива...................................30
  Пример 12. Расчет количества воздуха, необходимого на горение, объема продуктов сгорания и низшей теплоты сгорания для твердого топлива..........................................................31

3

  Пример 13. Расчет количества воздуха, необходимого на горение,
  объема продуктов сгорания и низшей теплоты сгорания для природного газа.............................................33
Контрольное задание № 5............................................34
3. Расчет горения по составу продуктов сгорания...................35
3.1. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха................35
Влияние а на эффективность использования топлива..................35
Определение а в действующих топливоиспользующих установках........36
«Азотная» формула для расчета а...................................37
«Кислородная» формула расчета а...................................38
Расчет а по упрощенному методу М. Б. Равича.......................38
Упрощенный метод расчета а по углекислотной формуле...............40
  Пример 14. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха при полном сгорании топлива.....................................42
  Пример 15. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха при наличии недожога............................................43
  Пример 16. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха по содержанию в продуктах сгорания O2 и CO......................44
Контрольное задание № 6...........................................44
3.2. Основное уравнение горения...................................44
Основные понятия и расчетные формулы..............................44
  Пример 17. Определение коэффициента избытка (расхода) воздуха по уравнению газового анализа при неполном сгорании топлива.....46
  Пример 18. Определение коэффициента избытка (расхода) воздуха по уравнению газового анализа при полном сгорании топлива.......46
Контрольное задание № 7............................................47
3.3. Определение коэффициента использования природного газа.......47
Основные понятия и расчетные формулы..............................47
  Пример 19. Расчет коэффициента использования топлива при неполном сгорании...........................................49
  Пример 20. Расчет коэффициента использования топлива при полном сгорании.............................................50
  Пример 21. Расчет коэффициента использования топлива по данным газового анализа и коэффициенту h.....................51
  Пример 22. Расчет коэффициента использования топлива по данным полного газового анализа........................................51
Контрольное задание № 8...........................................52
3.4. Расчет объема продуктов сгорания по их составу...............52
Основные понятия и расчетные формулы..............................52
  Пример 23. Определение объема продуктов сгорания мазута по содержанию RO2 и СО..........................................53
  Пример 24. Определение объема продуктов сгорания природного газа по содержанию RO'2 и горючих газов..............................54
Контрольное задание № 9...........................................54

4

4. Расчет температуры горения.....................................56
4.1. Калориметрическая температура горения. Жаропроизводительность топлива....................................56
Определение калориметрической температуры горения балансовым методом...........................................................56
Жаропроизводительность топлива....................................57
Определение калориметрической температуры горения упрощенными методами..............................................58
  Пример 25. Расчет калориметрической температуры горения балансовым методом..............................................59
  Пример 26. Упрощенный расчет жаропроизводительности пропана.........................................................60
  Пример 27. Определение калориметрической теплоты сгорания природного газа упрощенными методами............................61
Контрольное задание № 10..........................................62
4.2. Определение теоретической температуры горения................63
Основные понятия и расчетные формулы..............................63
  Пример 28. Расчет теоретической температуры горения метана......65
Контрольное задание № 11..........................................66
4.3. Определение расчетной температуры горения....................66
Основные понятия и расчетные формулы..............................66
Контрольное задание № 12..........................................67
5. Расчет сжигания нетрадиционного топлива и совместного сжигания разных топлив.....................................................68
5.1. Расчет горения биогаза.......................................68
  Пример 29. Расчет выбросов парниковых газов от отходов, генерируемых одним человеком....................................69
Контрольное задание № 13..........................................70
5.2. Расчет горения RDF-топлива и отходов.........................71
  Пример 30. Расчет состава и теплоты сгорания RDF-топлива.........73
Контрольное задание № 14...........................................74
5.3. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания при совместном сжигании нескольких видов топлива..................................75
Расчет при совместном сжигании топлива одного вида................76
Расчет совместного сжигания при заданном количестве или расходе топлив................................................76
Расчет совместного сжигания твердого (жидкого) топлива и газообразного .... 77
Расчет при заданных долях тепловыделения..........................78
Контрольное задание № 15..........................................79
Библиографический список..........................................80
Приложение 1. Свойства газов при нормальных условиях..............81
Приложение 2. Теплоемкость основных газов.........................82
Приложение 3. Степень диссоциации трехатомных газов...............84
Приложение 4. Величина Z и характеристики продуктов полного сгорания природного газа...................................................87

5

Приложение 5. Состав и характеристики твердого, жидкого и газообразного топлива...........................................91
Приложение 6. Состав биогаза.......................................101
Приложение 7. Состав и характеристики твердых коммунальных отходов.102
Приложение 8. Инструментальные средства определения состава отходящих газов..................................................104
Приложение 9. Расчет горения топлива в электронных таблицах......114

6

    ВВЕДЕНИЕ


    Топливом называют вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов (химических или ядерных реакций), которую можно использовать для технических целей.
    Органическое топливо состоит из химических соединений, которые вступают в химическую реакцию с окислителем и выделяют в процессе горения теплоту.
    Органическое топливо по агрегатному состоянию бывает трех видов:
    1)      твердое (бурые и каменные угли, антрацит, торф, древесина, горючие сланцы, кокс, сельскохозяйственные и бытовые отходы и др.);
    2)     жидкое (мазут, дизельное топливо, бензин и др.);
    3)      газообразное (природный газ, генераторный, доменный, коксовый и др. искусственные газы, биогаз).
    По происхождению природные топлива делят на природные и искусственные, специально получаемые из других органических веществ (синтетическое топливо, биотопливо) или являющиеся побочными продуктами технологического процесса (доменный. коксовый газ и др.).

    Материальный баланс процесса горения

    Основными горючими химическими элементами в топливе является углерод C и водород H, поэтому его называют углеводородным. При их соединении с окислителем, которым в большинстве случаев является кислород, образуются углекислый газ CO2 и водяные пары H2O. Если в топливе присутствует горючая сера, то при сгорании топлива также образуется двуокись серы SO2. Так как в качестве окислителя используется кислород воздуха, то в состав продуктов сгорания переходит азот, входящий в состав атмосферного воздуха, и азот, содержащийся в топливе.
    Если на горение подается столько воздуха, сколько необходимо для полного сгорания топлива без остатка кислорода (теоретический объем воздуха, необходимый для горения), такое соотношение называют стехиометрическим, и теоретический состав продуктов сгорания состоит из CO2, H2O, N2 и, при наличии в топливе горючей серы, SO2.
    На практике для обеспечения полного сгорания топлива объем воздуха, подаваемого на горение (действительный объем воздуха), всегда больше теоретического объёма. Лишний кислород, не вступивший в реакцию и присутствующий в продуктах сгорания, называется избыточным. Действительный состав продуктов полного сгорания (рис. 1) состоит из четырех газов:
    -  углекислый газ CO2;
    -  водяные пары H2O;
    -  азот N2;
    -  кислород О2;
    -  диоксид серы SO2 (при наличии в топливе горючей серы).

7

Топливо

+

     Воздух:      
21 % кислорода О2 
  79 % азота N2   
CO2                                  Продукты        
SO2 (при наличии         RO2         полного         
в топливе горючей серы)              сгорания        
H2O (продукт горения, влага                          
топлива и воздуха)           Влага топлива и воздуха,
О 2 (избыточный)               негорючие компоненты  
N2                            и избыточный кислород  

Рис. 1. Процесс горения топлива

    Сумму содержания двуокиси углерода и серы обозначают как RO2 (трехатомные газы).

    Понятие о материальном балансе горения газообразного топлива
    Химическое уравнение горения метана СН4, из которого на 90-98 % состоит природный газ, в кислороде следующее:


CH4 + 202 = CO2 + 2H2O,

то есть для сжигания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода, а продукты сгорания содержат 1 м³ CO2 и 2 м³ H2O. Основные компоненты воздуха - 21 % кислорода О2 и 79 % азота N2 (по объему). Поэтому 2 м³ кислорода содержится в 2/0,21 = 9,52 м³ воздуха. Таким образом, в продуктах сгорания метана при стехиометрическом соотношении содержится:
    CO2 ....1 м³ (9,5 объемных %);
    H2O ....2 м³ (19,0 объемных %);
    N2 .....0,79-9,52 = 7,52 м³ (71,5 объемных %).
    При определении фактического состава продуктов сгорания с помощью специальных приборов - газоанализаторов определяется состав сухих газов, их состав при стехиометрическом соотношении объемов топлива и воздуха:
    CO2.....1 м³ (11,8 объемных %);
    N2 .....7,52 м³ (88,2 объемных %).
    Величина 11,8 % - это максимальное содержание углекислого газа СО2 max при сжигании природного газа, состоящего в основном из метана.

    Понятие о материальном балансе горения твердого и жидкого топлива
    В состав горючей массы твердого и жидкого топлива входят сложные органические соединения, в основном состоящие из углерода C и водорода Н. Также в топливе присутствуют кислород О, азот N и сера S. Поэтому состав твердого и жидкого топлива выражают в виде массового содержания химических элементов, а реакцию горения топлива представляют как химические реакции соединения горючих химических элементов с кислородом.


8

    Коэффициент избытка (расхода) воздуха
    Отношение действительного объема воздуха, подаваемого на горение, V₃ к теоретическому объёму, необходимому для полного сгорания топлива в стехиометрическом соотношении Ц,⁰, называется коэффициентом избытка (расхода) воздуха а:



Ц

“ = Ц0' кв

(1)



     При увеличении значения а за счет их разбавления избыточным воздухом увеличивается объем продуктов сгорания, что приводит к увеличению потерь теплоты с уходящими газами и снижению теплового КПД топливоиспользующей установки, снижению температуры горения. Обычно при сжигании топлива в высокотемпературных установках поддерживают а = 1,05...1,06 для природного газа и а = 1,2 для твердого пылевидного топлива, при этом должна быть обеспечена полнота сгорания (отсутствие продуктов недожога CO, CH4, H2).
     Если топливо сгорает не полностью, то часть углерода окисляется не до углекислого газа CO2, а до оксида углерода (угарного газа) CO. По содержанию в продуктах сгорания CO, измеряемого с помощью газоанализаторов, определяют степень недожога топлива.

Температура горения

     Температура горения - это средняя по объему температура, до которой нагреваются продукты сгорания. Температуру горения для реальных условий (действительную) можно определить из теплового баланса:

QH + Сф.т + <?ф.в = Qn.r + <?пог + Сдисс,

где Qh - низшая теплота сгорания топлива; Qф.т и Qф.в - физическая теплота (энтальпия) топлива и воздуха, подаваемых на горение; Q п.г - энтальпия продуктов сгорания; Qпот потери теплоты в окру^ка^э^цу^э среду, связанные с недо^когом топлива и др.; Qдисс теплота, затрачиваемая на диссоциацию трехатомных газов (разложение на более простые составляющие при высоких температурах, обратимое при охлаждении, для находящихся в продуктах сгорания CO2 и H2O имеет место при температурах свыше 1700 °C).
     Так как энтальпия продуктов сгорания определяется через их удельную объемную теплоемкость с п.г, объем Vп.г и температуру t:

Q . = Сп.г Кпд- t


9

то расчетная (действительная) температура горения может быть определена по выражению:

^расч

Qp + Q<.t + Q<.b- Qhqt

Qrkcc

^п.гИг.г

(2)

—

     Для сравнения различных топлив и технических расчетов применяют также следующие характеристики:
     -      теоретическая температура горения определяется с учетом диссоциации, но без учета потерь теплоты:

         QS + Q<.t + Q<.b - Q^cc ^tsqp             c,   yi

QP - Q^cc

(3)





^.гЛт

где с^Лг - теплоемкость и объем продуктов сгорания с учетом диссоциации трехатомных газов;
    -       калориметрическая температура горения рассчитывается без учета потерь теплоты и диссоциации:


QP + Q<.t + Q<.b
^           СпЛп.г      ;


(4)

     -      максимальная температура горения топлива (жаропроизводительность) определяется при условии стехиометрического сжигания топлива при коэффициенте избытка (расхода) воздуха а = 1, температуре топлива и воздуха, подаваемым на горение, равной 0 °C, и без учета потерь и диссоциации по выражению:

Смах =

QP

Сп.гК⁰/

(5)

    Особенность расчета по выражениям (2)-(5) состоит в том, что удельная теплоемкость с п.г и теплота диссоциации QfₗHcc зависит от определяемой температуры горения. Поэтому температуру находят итерационным способом. Сначала задается первое приближение - примерное значение температуры, и по ней определяется удельная теплоемкость продуктов сгорания и теплоты диссоциации. Затем рассчитывается температура горения и сравнивается с принятым значением. Если отклонение большое, удельная теплоемкость продуктов сгорания и теплота диссоциации определяется при новой температуре и расчет повторяется. Вычисления прекращаются, когда отличие значений температур на текущем и предыдущем шаге становятся незначительными.

10

    Цель расчета горения


    Цель расчетов горения топлива следующая:
    -     определить необходимое количество воздуха для горения;
    -     определить состав и объем продуктов сгорания;
    -      определить характеристики процесса горения по известному составу отходящих газов;
    -     рассчитать температуру горения;
    Известны два метода расчета горения топлива:
    I метод - по составу топлива и заданному коэффициенту избытка (расхода) воздуха. Этот метод используется при проектировании топливоиспользующих установок.
    II метод - по данным газового анализа с учетом состава топлива. Метод используется при проведении теплотехнических испытаний для оценки эффективности работы печей и котлов и работ, проводимых при наладке топливоиспользующих установок.

    Структура издания

    Целью издания является изложение практических вопросов расчетов горения топлива. Поэтому теоретический материал по горению дан в минимальном объеме с точки зрения понимания методов расчета. Более подробно теоретические и практические вопросы горения топлив рассмотрены в работах [1-5], особенности проведения теплотехнических испытаний котлов и теплотехнического оборудования - в работах [6-8].
    Издание разбито на пять разделов, каждый из которых посвящен отдельной задаче расчетов горения.
    В первом разделе рассматривается состав топлива, расчет его свойств и теплоты сгорания.
    Во втором разделе на основе материального баланса горения приведены методы расчета объема воздуха, необходимого для горения и объемов продуктов горения по составу топлива.
    В третьем разделе рассмотрен расчет коэффициента избытка воздуха и объемов продуктов сгорания по данным газового анализа продуктов горения.
    В четвертом разделе на основании теплового баланса рассмотрен расчет температуры горения топлива.
    В пятом разделе рассмотрены особенности расчета горения биотоплива и отходов, а также методы расчетов горения при сжигании смеси из нескольких топлив.
    В каждом из разделов приведены теоретические сведения и расчетные формулы, примеры расчетов и контрольные задания.
    В приложениях приведены необходимые справочные данные, используемые в расчетах горения, составы природных топлив, биогаза и отходов, описаны особенности газового анализа продуктов горения топлив, рассмотрены особенности расчетов горения в электронных таблицах.

11

    1. СОСТАВ И ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА


    1.1. Состав топлива, пересчет состава топлива с одной массы на другую

Основные понятия и расчетные формулы

    Состав твердого и жидкого топлива выражают в процентах по массе, а газообразного - по объему.
    В твердом топливе различают органическую, горючую, сухую и рабочую массы (рис. 2).

                       Горючая часть                        Балласт   
Индекс Углерод Кислород Водород Азот     Сера       Сера   Зола Влага
          С       О        H     N   органическая пиритная  А     W  
                                          Sc         So              
  о              Органическая масса                                  
  г                    Горючая масса                                 
  с                       Сухая масса                                
  р                         Рабочая масса                             

Рис. 2. Масса и состав твердого и жидкого топлив

    Органическая масса состоит из углерода, кислорода, водорода, серы и азота, входящих в состав органических соединений:

Со + 0° + Н° + So + № = 100 %.

    Горючая масса, близкая по составу к органической массе отличается от последней наличием колчеданной, или пиритной, серы, входящей в состав сернистого колчедана (F2S) и других сернистых соединений, окисляемых кислородом в процессе горения топлива:

Сг + 0г + Нг + Sr + Nr = 100 %.

    Сухая масса состоит из горючих компонентов и минеральных веществ, образующих при сгорании топлива золу А:

Сс + 0е + Нс + Sc + Nc + Ис = 100 %.

    Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, - рабочей массой.


12

     Рабочая, масса состоит из сухой массы и влаги W:


Ср + 0Р + Нр + Sp + Np + Лр + W' = 100 %.


     Состав горючей массы топлива в различных местах и в разных районах его месторождения является более постоянным, поэтому эти данные приводятся в справочной литературе. Минеральные примеси и влажность могут быть разными, а влагосодержание может изменяться при транспортировке и хранении топлива. Так как все теплотехнические расчеты производят на основании рабочей массы топлива, а в справочной литературе приводится горючая или сухая масса топлива, то приходится производить пересчет состава топлива с одной массы на другую. Для этого используют коэффициенты пересчета, приведенные в табл. 1.


Таблица 1

Коэффициенты пересчета состава твердого топлива с одной массы на другую

Заданная масса     Искомая масса топлива        
   топлива      Рабочая   Сухая      Горючая   
   Рабочая         1       100         100     
                         100 - ИР 100 - ИР - АР
    Сухая      100 - Ир     1          100     
                  100               100 - Ас   
   Горючая     100 Ир Ар 100 -Ас        1      
                  100      100                 

    Например, пересчет содержания углерода с сухой массы Cc на рабочую Ср производится по формуле:

Ср

100 - Ир
100

Сс.

    Состав сухого газообразного топлива выражается в процентном содержании газообразных компонентов по объему:

    CH4+ C2H6+ ... + С С к + ...+ H2+ H2S + CO + CO2 + N2 + O2 = 100 %,


где n и m - количество атомов углерода и водорода, для предельных углеводородов ряда метана m = 2 n + 2.
     Плотность, молярная масса и теплота сгорания смеси газов определяется по аддитивному принципу через содержание и свойства компонентов. Например плотность смеси р рассчитывается через плотность компонентов рi и объёмную долю компонентов ri, %:


р = 0,01 X ур;.


        13

(6)

    Свойства газов при нормальных условиях приведены в прил. 1. Состав твердого, жидкого и газообразного топлива, используемого в России, приведен в прил. 5.

Пример 1. Перевод горючей массы топлива на рабочую

    Задан состав каменного угля на горючую массу, %:

Сг = 84,0; Нг = 4,5; Nr = 2,0; Or = 9,0; Sr = 0,5.

    Влажность и зольность приведены на рабочую массу, %:


W = 12,0; Ар = 11,4.

     Перевод осуществляем по выражению: Ср = С'-К, где К - переводной коэффициент (приведен в табл. 1):

 100 - №р --- Ар 100 - 12,0 - 11,4         
К =------------= =-----------------= 0,766.
100              100           '           

Таким образом:

Ср = 84,0-0,766 = 64,34 %; Нр = 3,45 %;

Np = 1,53 %; Ор = 6,90 %; Sp = 0,38 %.


    Проверяем сумму элементного состава рабочей массы топлива:


Ср + Нр + Ор + Sp + Np + Ар + W =

= 64,34 + 3,45 + 6,90 + 0,38 + 1,53 + 11,4 + 12,0 = 100 %.

Пример 2. Пересчет состава твердого топлива

    Задан состав каменного угля на горючую массу, %:


Сг = 80,2; Нг = 3,3; Nr = 2,1; Ог = 14,0; Sr = 0,4.

     Зольность топлива приведена на сухую массу: Ас = 22,12 %; влажность топлива - на рабочую W = 15,0 %.
     Переводим зольность топлива, приведенную на сухую массу топлива, на рабочую по выражению:

Ар = Ас-Кс-р = 22,12-0,85 = 18,80 %,

где Кс-р - переводной коэффициент:


14