Температура горения

В теплотехнике различаются следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и действительную (расчетную). Жаропроизводительность tx — максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха а = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:

tx = Qh /(IVcv) (8.11)

где QH — низшая теплота сгорания газа, кДж/м3; IVcp — сумма произведений объемов диоксида углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 м3 газа (м3/м3), и их средних объемных теплоемкостей при постоянном давлении в пределах температур от 0°С до tx (кДж/(м3*°С).

В силу непостоянства теплоемкости газов жаропроизводительность определяется методом последовательных приближений. В качестве начального параметра берется ее значение для природного газа (=2000°С), при а = 1,0 определяются объемы компонентов продуктов сгорания, по табл. 8.3 находится их средняя теплоемкость и затем по формуле (8.11) считается жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задается другая температура и расчет повторяется. Жаропроизводительность распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведена в табл. 8.5. При сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 вес. % влаги, жаропроизводительность снижается на 25-30°С.

Калориметрическая температура горения tK — температура, определяемая без учета диссоциации водяных паров и диоксида углерода, но с учетом фактической начальной температуры газа и воздуха. Она отличается от жаропроизводительности tx тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха а принимаются по их действительным значениям. Определить tK можно по формуле:

tк = (Qн + qфиз)/(ΣVcp) (8.12)

где qфиз — теплосодержание (физическая теплота) газа и воздуха, отсчитываемое от 0°С, кДж/м3.

Природные и сжиженные углеводородные газы перед сжиганием обычно не нагревают, и их объем по сравнению с объемом воздуха, идущего на горение, невелик.

Таблица 8.3. Средняя объемная теплоемкость газов, кДж/(м3•°С)

Температура, °С

CO2

N2

 O2 CO CH4 H2

H2O
(водяные пары)

воздух

сухой

влажный
на 1 м3 сухого газа

0

1,5981

1,2970

1,3087

1,3062

1,5708

1,2852

1,4990

1,2991

1,3230

100

1,7186

1,2991

1,3209

1,3062

1,6590

1,2978

1,5103

1,3045

1,3285

200

1,8018

1,3045

1,3398

1,3146

1,7724

1,3020

1,5267

1,3142

1,3360

300

1,8770

1,3112

1,3608

1,3230

1,8984

1,3062

1,5473

1,3217

1,3465

400

1,9858

1,3213

1,3822

1,3356

2,0286

1,3104

1,5704

1,3335

1,3587

500

2,0030

1,3327

1,4024

1,3482

2,1504

1,3104

1,5943

1,3469

1,3787

600

2,0559

1,3453

1,4217

1,3650

2,2764

1,3146

1,6195

1,3612

1,3873

700

2,1034

1,3587

1,3549

1,3776

2,3898

1,3188

1,6464

1,3755

1,4020

800

2,1462

1,3717

1,4549

1,3944

2,5032

1,3230

1,6737

1,3889

1,4158

900

2,1857

1,3857

1,4692

1,4070

2,6040

1,3314

1,7010

1,4020

1,4293

1000

2,2210

1,3965

1,4822

1,4196

2,7048

1,3356

1,7283

1,4141

1,4419

1100

2,2525

1,4087

1,4902

1,4322

2,7930

1,3398

1,7556

1,4263

1,4545

1200

2,2819

1,4196

1,5063

1,4448

2,8812

1,3482

1,7825

1,4372

1,4658

1300

2,3079

1,4305

1,5154

1,4532

-

1,3566

1,8085

1,4482

1,4771

1400

2,3323

1,4406

1,5250

1,4658

-

1,3650

1,8341

1,4582

1,4876

1500

2,3545

1,4503

1,5343

1,4742

-

1,3818

1,8585

1,4675

1,4973

1600

2,3751

1,4587

1,5427

-

-

-

1,8824

1,4763

1,5065

1700

2,3944

1,4671

1,5511

-

-

-

1,9055

1,4843

1,5149

1800

2,4125

1,4746

1,5590

-

-

-

1,9278

1,4918

1,5225

1900

2,4289

1,4822

1,5666

-

-

-

1,9698

1,4994

1,5305

2000

2,4494

1,4889

1,5737

1,5078

-

-

1,9694

1,5376

1,5376

2100

2,4591

1,4952

1,5809

-

-

-

1,9891

-

-

2200

2,4725

1,5011

1,5943

-

-

-

2,0252

-

-

2300

2,4860

1,5070

1,5943

-

-

-

2,0252

-

-

2400

2,4977

1,5166

1,6002

-

-

-

2,0389

-

-

2500

2,5091

1,5175

1,6045

-

-

-

2,0593

-

-

Поэтому при определении калориметрической температуры теплосодержание газов можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) их теплосодержание (в особенности нагретых до сжигания) оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру.

Зависимость калориметрической температуры природного газа среднего состава в воздухе с температурой 0°С и влажностью 1% от коэффициента избытка воздуха а приведена в табл. 8.5, для СУГ при его сжигании в сухом воздухе — в табл. 8.7. Данными табл. 8.5-8.7 можно с достаточной точностью руководствоваться при установлении калориметрической температуры горения других природных газов, сравнительно близких по составу, и углеводородных газов практически любого состава. При необходимости получить высокую температуру при сжигании газов с малыми коэффициентами избытка воздуха, а также для повышения КПД печей, на практике подогревают воздух, что приводит к росту калориметрической температуры (см. табл. 8.6).

Таблица 8.4. Жаропроизводительность газов в сухом воздухе

Простой газ

Жаропроизводительность, °С

Сложный газ усредненного состава

Приближенная жаропроизводительность, °С

Водород

2235

Природный газовых месторождений

2040

Оксид углерода

2370

Природный нефтяных месторождений

2080

Метан

2043

Коксовый

2120

Этан

2097

Высокотемпературной перегонки сланцев

1980

Пропан

2110

Парокислородного дутья под давлением

2050

Бутан

2118

Генераторный из жирных углей

1750

Пентан

2119

Генераторный паровоздушного дутья из тощих топлив

1670

Этилен

2284

Сжиженный (50% С3Н4+50% С4Н10)

2115

Ацетилен

2620

Водяной

2210

Таблица 8.5. Калориметрическая и теоретическая температуры горения природного газа в воздухе с t = 0°С и влажностью 1%* в зависимости от коэффициента избытка воздуха а

Коэффициент избытка воздуха а
Калориметрическая
температура горения
tк, °С
Теоретическая
температура горения

Коэффициент избытка воздуха а
Калориметрическая
температура горения
tк, °С

1,0

2010

1920

1,33

1620

1,02

1990

1900

1,36

1600

1,03

1970

1880

1,40

1570

1,05

1940

1870

1,43

1540

1,06

1920

1860

1,46

1510

1,08

1900

1850

1,50

1470

1,10

1880

1840

1,53

1440

1,12

1850

1820

1,57

1410

1,14

1820

1790

1,61

1380

1,16

1800

1770

1,66

1350

1,18

1780

1760

1,71

1320

1,20

1760

1750

1,76

1290

1,22

1730

-

1,82

1260

1,25

1700

-

1,87

1230

1,28

1670

-

1,94

1200

1,30

1650

-

2,00

1170

>

Теоретическая температура горения tT — максимальная температура, определяемая аналогично калориметрической tK, но с поправкой на эндотермические (требующие теплоты) реакции диссоциации диоксида углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

СО2 ‹–› СО + 0,5О2 — 283 мДж/моль (8.13)

Н2О ‹–› Н2 + 0,5О2 — 242 мДж/моль (8.14)

При высоких температурах диссоциация может привести к образованию атомарного водорода, кислорода и гидроксильных групп ОН. Кроме того, при сжигании газа всегда образуется некоторое количество оксида азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения.

Таблица 8.6. Калориметрическая температура горения природного газа tу, °С, в зависимости от коэффициента избытка сухого воздуха и его температуры (округленные значения)

Коэффициент избытка воздуха а

Температура сухого воздуха, °С

20

100

200

300

400

500

600

700

800

0,5

1380

1430

1500

1545

1680

1680

1740

1810

1860

0,6

1610

1650

1715

1780

1840

1900

1960

2015

2150

0,7

1730

1780

1840

1915

1970

2040

2100

2200

2250

0,8

1880

1940

2010

2060

2130

2200

2260

2330

2390

0,9

1980

2030

2090

2150

2220

2290

2360

2420

2500

1,0

2050

2120

2200

2250

2320

2385

2450

2510

2560

1,2

1810

1860

1930

2000

2070

2140

2200

2280

2350

1,4

1610

1660

1740

1800

2870

1950

2030

2100

2160

1,6

1450

1510

1560

1640

1730

1800

1860

1950

2030

1,8

1320

1370

1460

1520

1590

1670

1740

1830

1920

2,0

1220

1270

1360

1420

1490

1570

1640

1720

1820

Таблица 8.7. Калориметрическая температура горения tK технического пропана в сухом воздухе с t = 0°С в зависимости от коэффициента избытка воздуха а

Коэффициент избытка воздуха а

Калориметрическая температура горения tH, °С

Коэффициент избытка воздуха а

Калориметрическая температура горения tK, °С

1,0

2110

1,45

1580

1,02

2080

1,48

1560

1,04

2050

1,50

1540

1,05

2030

1,55

1500

1,07

2010

1,60

1470

1,10

1970

1,65

1430

1,12

1950

1,70

1390

1,15

1910

1,75

1360

1,20

1840

1,80

1340

1,25

1780

1,85

1300

1,27

1750

1,90

1270

1,30

1730

1,95

1240

1,35

1670

2,00

1210

1,40

1630

2,10

1170

Теоретическая температура горения может быть определена по следующей формуле:

tT = (Qн + qфиз – qдис)/(ΣVcp) (8.15)

где qduc — суммарные затраты теплоты на диссоциацию СО2 и Н2О в продуктах сгорания, кДж/ м3; IVcp — сумма произведения объема и средней теплоемкости продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 м3газа.

Как видно из табл. 8.8, при температуре до 1600°С степень диссоциации может не учитываться, и теоретическую температуру горения может принять равной калориметрической. При более высокой температуре степень диссоциации может существенно снижать температуру в рабочем пространстве. На практике особой необходимости в этом нет, теоретическую температуру горения необходимо определять только для высокотемпературных печей, работающих на предварительно нагретом воздухе (например, мартеновских). Для котельных установок в этом нужды нет.

Действительная (расчетная) температура продуктов сгорания td — температура, которая достигается в реальных условиях в самой горячей точке факела. Она ниже теоретической и зависит от потерь теплоты в окружающую среду, степени отдачи теплоты из зоны горения излучением, растянутости процесса горения во времени и др. Действительные усредненные температуры в топках печей и котлов определяются по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения в зависимости от температуры в топках с введением в них экспериментально установленных поправочных коэффициентов:

td = т (8.16)

где п - т. н. пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределах:

  • для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией — 0,75-0,85;
  • для герметичных печей без теплоизоляции — 0,70-0,75;
  • для экранированных топок котлов — 0,60-0,75.

В практике надо знать не только приведенные выше адиабатные температуры горения, но и максимальные температуры, возникающие в пламени. Их приближенные значения обычно устанавливают экспериментально методами спектрографии. Максимальные температуры, возникающие в свободном пламени на расстоянии 5-10 мм от вершины конусного фронта горения, приведены в табл. 8.9. Анализ приведенных данных показывает, что максимальные температуры в пламени меньше жаропроизводительности (за счет затрат тепла на диссоциацию Н2О и СО2 и отвода теплоты из пламенной зоны).