2. Расчет процессов горения лесных горючих материалов
Расчет процессов горения лесных горючих материалов (ЛГМ) подразделяется на три подраздела. В первом подразделе определяется теплотворная способность ЛГМ, во втором – тепловой и газовый баланс горения ЛГМ, в третьем – определение фактической теплотворной способности ЛГМ.
2.1. Определение теплотворной способности лесных горючих материалов
Теплотворную способность Q лесных горючих материалов определяют для 1 кг вещества в абсолютно сухом состоянии по известным термохимическим уравнениям, параметры которых определены в результате многочисленных экспериментов по сжиганию различных видов топлива в калориметре [3, табл. 2.1].
Д. И. Менделеев предложил следующую формулу для определения высшей теплотворной способности:
Qв = 8100 · С+30 000 · Н + 2600 · S – 2000 · О ккал/кг,
где С, Н, О, S – соответственно углерод, водород, кислород и сера в долях кг. Содержание серы принято равным нулю.
Формула Д. И. Менделеева дает завышение значений Qв.
Позднее были предложены другие термохимические уравнения
QB
=
8150 С
+ 34200(Н
–
)+
2156S
=
3871 + 513 = 4384 ккал/кг
(2.1)
в килоджоулях:
QB
=
34 200С
+
143 400(Н
–
)
+ 9050S
кДж/кг (2.2)
Низшая теплотворная способность QН горючих материалов равна
QН
=
8150C
+
28 900(Н
–
)
+
2156S
ккал/кг,
(2.3)
в килоджоулях:
QН
= 34 200С
+
121 100(Н
–
)
+ 9050S
кДж/кг. (2.4)
Уравнения (2.1)–( 2.4) для лесных материалов также занижают теплотворную способность материалов. Точные значения они дают для бензина, каменного угля.
Соотношение между ккал и кДж: 1ккал = 4,19 кДж.
Академик И. А. Каблуков нашел более простую формулу для определения низшей теплотворной способности горючих материалов Qн: через кислородный коэффициент К и постоянное число а.
Постоянное число для каменного угля, нефтепродуктов равно:
ау
= 4,19 ·
3050
= 12 800
;
(2.5)
для клетчатки:
ак
=
4,19 ·
3250
= 13 630
,
(2.6)
где О2 – кислород.
Кислородный коэффициент К есть отношение массы кислорода (без его избытка) к массе горючего материала, при условии, что С и Н в процессе горения окисляются полностью до СО2 и Н2О:
, (2.7)
где С, Н и О выражены в долях кг (табл. 2.1).
Низшая теплотворная способность клетчатки (компоненты горения) равна
Qн = 13 630 · К = 18 891 кДж/кг
Для древесины К варьирует в пределах 1,30–1,42 кг, для керосина К = 3,3; бензина К = 3,5 кг. Но кислородный коэффициент рассчитывается по трем основным химическим элементам. Если его соотнести к чистому кислороду, получим требуемую массу воздуха. Для рассматриваемого варианта она равна
(2.8)
Общая масса продуктов горения окажется равной 0,919 + 6,06 = 6,979 ≈ 7 кг. В этом объеме основную массу составят газы: СО2; N2; Н2О; Аr (аргон). Зола останется в твердом состоянии, ее масса в продуктах сгорания не учтена.
Соотношение между горючим и воздухом для лесных материалов 1:6,0; бензин 1:15,3; керосин 1:14,8.
Задание:
1) по данным табл. 2.1 вычислить К для лесных горючих материалов (согласно вариантам);
2) по данным табл. 2.1 определить потребность в чистом кислороде и воздухе для обеспечения горения лесных материалов при коэффициенте избытка воздуха α = 1. Потребность в кислороде определяется по уравнению (2.7), в воздухе – (2.8).
3) Определить удельную теплотворную способность на всю массу компонентов (ЛГМ + воздух), участвующую в процессе горения.
Пример расчета удельной теплоемкости:
(2.9)
Низшая теплотворная способность клетчатки в абсолютно сухом состоянии равна 18891 всей массы, участвовавшей в процессе горения, – 2669 кДж/кг. Сравнивая отношение между массой горючих материалов и воздухом, необходимым для их горения, следует обратить внимание на то, что низшая удельная теплотворная способность всей массы газов будет в 7 раз меньше по сравнению со всей массой компонентов, участвующих в горении:
L = 18891/2699 = 7,
где L – отношение массы газов к массе продуктов горения.