О выводе зависимости между составом топлива и составом продуктов горения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА Том 89 1957 г_

ч.

О ВЫВОДЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ СОСТАВОМ ТОПЛИВА И СОСТАВОМ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

В. Н. СМИРЕНСКИЙ

Уравнение, связывающее состав топлива с составом конечных продуктов сгорания, имеет существенное значение для анализа процессов горения. Во всей имеющейся по данному вопросу литературе эта математическая зависимость получается как бы косвенным путем при постановке вопроса об определении характеристики топлива или о подсчете окиси углерода в продуктах сгорания. Сам вывод производится следующим образом. За исходное уравнение берут выражение для суммы сухих газов в процентах или в объемных единицах. Затем путем большого количества всяких подстановок и преобразований приходят к тому или иному конечному выражению. Попутно получается зависимость между составом топлива и составом продуктов горения. У изучающих данный вопрос создается впечатление, что физического смысла в данном уравнении нет, а получается оно путем применения целого ряда искусственных преобразований. В ходе всего длинного и сложного вывода нет логической ясности, сам он становится малопонятным, трудным для изложения и усвоения.

Представляется более целесообразным с самого начала ставить задачу о нахождении связи между исходным составом топлива и составом конечных продуктов горения. Выражения для характеристики топлива или для определения окиси углерода получаются или в процессе вывода или вытекают из основного уравнения. Из этого основного выражения может быть получен и целый ряд других существенных зависимостей.

В данной работе приводится более целесообразная методика вывода интересующего нас выражения для твердых и жидких топлив. В первом разделе дается подробный вывод уравнения при наличии химической неполноты горения в виде окиси углерода. Во втором разделе приводятся результаты вывода полного уравнения с учетом прочих возможных элементов химической неполноты горения топлива. Уравнение в полном виде может иметь существенное значение для анализа газогенераторных процессов.

I. НЕПОЛНОЕ ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА С ОБРАЗОВАНИЕМ ОКИСИ УГЛЕРОДА

Известно, что горение отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива, сопровождается изменениями объемов. Эти изменения объемов различны для разных горючих элементов и, кроме того, различны при разных реакциях горения (полное или неполное горение).

При горении 1 кг топлива определенного состава также произойдет изменение объема, причем величина этого изменения будет зависеть от того, какие элементы входили в состав топлива, в каком количестве и как протекали реакции горения. Полученный в результате горения топлива объем газов будет иметь и вполне определенный состав. При таком положении имеется, очевидно, возможность найти связь между составом топлива

и составом конечных продуктов горения. Эту связь можно установить через изменение объемов.

В разбираемом нами случае горения твердого топлива будут иметь место изменения объемов: 1) от полного сгорания углерода в С02 (Д^О, 2) от неполного горения углерода в СО (А и2), от горения серы в 502 (А 1>3), от горения „свободного" водорода в Н20 (Д VI) и, как условно принимают, от газификации азота топлива в М> (Д^). Если взять для рассмотрения объем сухих газов, полученных после горения 1 кг топлива—Vсг нмъ/кг> и объем подведенного воздуха— Ув нмъ\кг, то для получения интересующей нас зависимости будем иметь следующее исходное выражение:

5

Усг=Ув+У,ЬУ нм:'1кг (1)

1

Необходимо найти все изменения объемов при горении отдельных эле-

5 5

ментов топлива выразить Усг, Ув и ^ Дг> через состав топлива и со-

1 1 став сухих газов и подставить их значения в уравнение (1). После соответствующих преобразований получим выражение, связывающее состав топлива с составом продуктов горения.

Примем следующие обозначения и величины: КР = СР + 0,368СР,

№\ 5л, ОР, № °/0 — процентное значение элементов сгоревшего топлива РЮ2 — С02-\- 502, СО, 02, Л^2°/ о—процентный состав сухих газов; Усо, У с о2, у50.} нмъ!кг—объемы соответствующих газов;

Уо2°> У^°2 нмъ\кг—объемы кислорода, пошедшего на образование соответствующего газа.

Молекулярные объемы: для Ог — 22,39, для СО — 22,4, для С02—22,26, для 502—21,89 нм^/молъ. Молекулярный вес для Н2—2,016 кг1молъ. Удельные веса: для 502—2,926, для Ы2—1,251 кгнм3.

Найдем все изменения объемов от отдельных элементов, входящих в состав 1 кг сжигаемого топлива.

1) с + о2 = со2.

Ввиду неравенства молекулярных объемов кислорода и углекислоты при этой реакции получим изменение объема газов на величину:

Д а\ V —У СОо V — 22,39 С°2 V -

П2 — ш Усг — т Усг-

со

= - 0,006 Усг нм3/кг.

100

Знак минус показывает уменьшение объема.

2) С + 0,5 02 = СО

Ввиду незначительной разницы в молекулярных объемах для СО и 02 можно написать, что

Дг>2 = 1/со - V™ = (1 - 0,5) Ю- Усг = 4- 0,5 -— Усг — •

со о2 100 100 кг

3) 5 + 02 = 502.

В данном случае получим уменьшение объема на величину:

Д^з = - У*>2 = (1 - -23,39-\ усг = _ 0,023 Усг — 5 2 1 21,89 ) 100 100 2 кг

Для возможности объединения Дг^ и Д1>3 разобьем Дг»3 на 2 слагаемых:

ЯГ) ЯГ)

Дг>з = — 0,006 Усг — 0,017 у

3 100 100 "

Первый член объединим с Д^ и получим — 0,006 усг — . В0 вто-

100 кг

ром члене исключим 502> для чего поступаем следующим образом. Так как в 1 нм'' 50-2 содержится серы 1,47 кг/нм", то можно записать:

Ухо —- нмл!кг.

2 100-1,47

т, = 100= —^— %.

Усг 1,47-Усг

— 0,017 у _ — 0,0115

100 100 Таким образом:

оп ЯР

Дг», -(- = — 0,006 V 0,0115^- нмУкг.

100 100

4) Н, + 0,5 02 = Я20.

По отношению к объему сухих газов здесь получится уменьшение объема на величину кислорода, пошедшего на горение „свободного" водорода НР — 0,126 О''<>0.

л п с оо оо НР — 0,126 0^ -„№-0,126ОР

¡IVь = — 0,5 ■ 22,39----= — 5,55-5-нмъ кг.

100-2,016 100

5) Приняв, что азот топлива перейдет в дымовые газы, получим ув ели чение объема на величину:

МР № Д г>5 = Н--------- +0,8 нм6/кг.

■ 100-1,251 100

После подстановки всех значений Дт>,

М -- - - №

Усг - 0,8

У8== 100 _™ 100-

79

.. 100 — {Р.02 + О., -(- СО) 0,8 МР

VСг -'—=---нм'кг

79 79

КР

Vсг =- нм " кг

0,539 (1Ю, + СО)

в уравнение (1) и соответствующих преобразований получим:

21—1,005 Я02 — 02 — 0,605 СО =

(#02 +СО)

2,37 (№-0,126 СУ) + 0,09 -1-0,005 ¿РЛ

КР Приняв

9 = 2>37 (НР- 0,126 рР) + 0,09 ИР + 0,005 0

Р

получим искомое уравнение в окончательном виде:

21 - Р ЯО, - (/?02 + су - (0,6 -{- Э) СО = 0 (3)

Величина ¡3, зависящая исключительно от состава горючей массы топлива, носит название „характеристики топлива". При небольшом содержании азота и серы в твердых и жидких топливах формулу (2) часто упрощают и дают в следующем виде:

Е-2,37 +0,005.

г кр

Обычно характеристике топлива ¡3 не придают никакого физического смысла, однако здесь можно отметить следующее. Известно, что с увеличением химического возраста ископаемого топлива значительно повышается процентное содержание основной составляющей его горючей массы—углерода— за счет одновременного уменьшения водорода и кислорода. Следовательно, с увеличением химического возраста ископаемого топлива значение величины ¡3 должно непрерывно уменьшаться, так как знаменатель выражения будет расти, а числитель оставаться примерно постоянным. Таким образом, следует признать, что величина ¡3 характеризует собой химическую зрелость ископаемого топлива данного месторождения.

Примечание: Если пренебречь неравенством молекулярных объемов газов, то вывод выражения (3) значительно упрощается.

II. НЕПОЛНОЕ ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА С ОБРАЗОВАНИЕМ СО, Н2, СтНп и Н,8

Для упрощения вывода можно принять, что водород и все соединения углеводородов в газах являются частными случаями общего углеводорода

стнп.

Пользуясь той же методикой вывода, необходимо учесть, что часть водорода топлива в этом случае пойдет на образование СтНп и //25 и часть серы пойдет на образование Н^Б. Поэтому будем иметь:

СП СП 1-1 с

А = — 0,006 Усг - 0,012 + 0,017 УСг нм^кг,

100 100 100

л ИР- 0,1260Р , л - Н,5 + 0,5лСтНп т/ 3/

Дг>4 = — 5,55---- + 0,5 —-—!—--- Усг нм° кг.

100 100

Добавится новый член

Аг'ь Аг^2 и Аи5 останутся без изменений.

Выражения для объема воздуха и газов:

у = у + + С0+ __0,8 А^ ^

8 " ~ ~ 79 ~ ......79

№

Усг =--нм ¡кг. (4)

0,539 (ЯО, + СО + тСтНп + 0,989 ад

Искомое выражение примет вид: 21 - р Я02 - (/?02 + 02)-(0,6+р)СС> + [0,198 п — т (р-0,005)- 0,21] СтН„ +

+ (0,2(6 — 0,989 р)//.5 = 0. (5)

Характеристика топлива Р имеет то же значение, что и в уравнении (2).

4

Аналогичным путем выводятся соответствующие выражения и для случая сжигания газообразных топлив.

В общем случае химической неполноты горения газообразного топлива основное уравнение зависимости конечных продуктов сгорания от исходного топлива одинаково с уравнением (5).

Характеристика топлива в этом случае имеет вид:

21 — (/?02т+02т) —0,6С(Эт

Я02т + СОт + шСтНпт + 0,989 Н£т (0,198 п + 0,005 т - 0,21) СтНпт + 0,206 Н2Бт

НО™ + СОт + т СтНпт + 0,989 Я25т

(6)

где /?02т = СОгт + $02т, СОт и т. д.—процентный состав газообразного топлива. Под СтИпт по-прежнему подразумеваются все углеводороды топлива и водород.