В процессе горения топлива в топке котла образуются продукты сгорания. При завершенном процессе горения уходящие газы содержат углекислоту СО2, водяные пары Н2О, азот N2, сернистый ангидрид SО2 и небольшое количество серного ангидрида SО3. Кроме того, дымовые (уходящие) газы содержат некоторое количество кислорода О2, так как процесс горения в топке происходит с некоторым избытком воздуха по сравнению с теоретически необходимым объемом для завершения реакции горения.Углекислоту и сернистый ангидрид часто объединяют под названием «сухие трехатомные газы » [9]:
RО2 = СО2 + SО2. (12)
Коэффициентом избытка воздуха в топке 
называется число, показывающее, во сколько раз весовое количество действительно подаваемого в топку воздуха больше количества воздуха, теоретически необходимого для горения [7].
Например, в случае котлов большой производительностью коэффициент избытка воздуха в топке составляет при правильной их работе 1,2 для твердого топлива и 1,03 – 1,05 для мазута и горючих газов.
Коэффициент избытка воздуха должен иметь оптимальное значение. При горении воздух проходит вместе с дымовыми газами через весь котел, создает дополнительную нагрузку дутьевым вентиляторам и дымососам и, уходя в дымовую трубу, уносит с собой часть тепла, выделяющегося при сжигании топлива.
Объем воздуха, необходимого для горения, а также состав дымовых газов вычисляют при нормальных условиях (0 ºС и 760 мм рт. ст.) для 1кг твердого и 1м3 жидкого и газообразного топлива по стехиометрическим реакциям горения и по заданному составу топлива. Теоретический объем воздуха, м3/кг, необходимого для полного сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива заданного состава, вычисляют по формуле
= 0,0889 (
+ 0,375 
) + 0,265 
– 0,0333 
. (13)
Объем СO2 определяют по формуле
= 0,0187 . (14)
объем SO2 – по формуле
= 0,0069 
, (15)
где , , , – процентное содержание углерода, серы, водорода, кислорода, выраженное в отношении к рабочей массе топлива [13], соответственно.
Теоретический объем азота (м3/кг) в продуктах сгорания при теоретическом объеме воздуха находят по формуле
= 0,79 
+ 0,008 
, (16)
где – процентное содержание азота, выраженное в отношении к рабочей массе топлива [13].
Водяные пары в дымовых газах образуются в результате сгорания водорода топлива и испарения его влаги, а также вносятся воздухом, поступающим для горения. Теоретический объем водяного пара вычисляют по формуле
= 0,111 + 0,0124 
+ 0,0161 . (17)
При сжигании жидкого топлива с применением паровых форсунок в уходящие газы попадает дополнительный объем водяных паров, м3/кг, который определяют по формуле
= 1,24Мф , (18)
где Мф – расход пара на распыление 1кг топлива, м3/кг; при сжигании мазута Мф = 0,3 – 0,4 кг/кг.
Теоретический объем дымовых газов определяют по формуле
= 
+ 
+ . (19)
В условиях существующих конструкций топок на горение подают избыточное по сравнению с теоретически необходимым количество воздуха для обеспечения полноты сгорания. Это количество воздуха, м3/кг, определяют по формуле
= , (20)
где – коэффициент избытка воздуха.
С учетом формулы (17) и (19) преобразуются так:
= + 0,016l ( – l) ; (21)
объем дымовых газов, м3/кг или м3/м3:
= + + + ( – l) . (22)
Для газообразного топлива расчет выполняется по следующим формулам
, (23)
, (24)
, (25)
где CO, CO 2, H 2, H 2 S, СmНn, N 2, О2 − соответственно содержание оксида углерода, диоксида углерода, водорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в исходном топливе, %; m и n − число атомов углерода и водорода соответственно; 
− влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 нм3 сухого газа, г/нм3 [13].
Так как газоходы котла находятся под разрежением, создаваемым дымососом или дымовой трубой, то в них через неплотности попадает еще дополнительный воздух. Величину присоса воздуха (
) по элементам газового тракта нормируют в долях (табл. 4).
Таблица 4
Присос воздуха по газовому тракту
| Наименование | Величина
присоса, 
|
| Топки: камерные; слоевые. Пароперегреватель | 0,05 0,1 0,05 |
| Испарительные поверхности нагрева: фестон; первые газоходы котлов с развитыми конвективными поверхностями нагрева; вторые газоходы тех же котлов | 0,0 0,05 0,1 |
| Водяные экономайзеры: чугунные ребристые; стальные змеевиковые котлов производительностью до 15 т/ч; стальные змеевиковые тех же котлов, двухступенчатые (на каждую ступень) | 0,1 0,08 0,02 |
| Воздухоподогреватели: стальные трубчатые (на 1 ступень) | 0,05 |
| Газоходы за котельным агрегатом: стальные (каждые 10 м); кирпичные борова (каждые 10 м) | 0,01 0,05 |
По этим нормам можно вычислить коэффициент избытка после элемента газового тракта, а также его среднее значение по следующим формулам
= 
+ , 
; (26)
где , и 
– коэффициент избытка воздуха перед элементом, после него и его среднее значение соответственно. Избыточный объем воздуха, м3/кг, попавшего в газоход, можно определить как
= ( – 1) . (27)
Избыточный объем водяных паров (м3/кг):
= 0,0161 . (28)
Действительные объемы продуктов сгорания и водяных паров составляют
= + + 
; 
= 
+ . (29)
При сжигании твердого топлива необходимо знать концентрацию летучей золы в дымовых газах, г/м3, которую можно определить по формуле:
(30)
где 
– доля золы топлива, уносимой дымовыми газами [13].
Контрольные вопросы к главе 1
1. Перечислите основные источники энергии. Как они подразделяются?
2. Дайте определения понятиям «энергия» и «тепловая энергия».
3. Сформулируйте первый закон термодинамики.
4. Что характеризует КПД?
5. Каким образом осуществляется теплообмен?
6. Какие виды топлива вы знаете?
7. Из каких основных горючих веществ состоит топливо?
8. Что понимают под горючей массой топлива?
9. Чем определяются тепловые потери?
10. Что такое 
?
11. Что понимают под сухими трехатомными газами?
12. Что такое коэффициент избытка воздуха?