Lecture-9 Principles of combustion - NPTel

86 downloads 3449 Views 203KB Size Report
Lecture-9 Principles of combustion. Contents of the lecture. What is combustion. Objectives of combustion. Stoichiometric amount of air. Air/fuel ratio and relation  ...
Lecture‐9 Principles of combustion   Contents of the lecture  What is combustion  Objectives of combustion  Stoichiometric amount of air  Air/fuel ratio and relation with POC  Combustion efficiency      What is Combustion?  All fossil fuels contain combustible and incombustible components (also known as diluents)  Fossil fuel  Combustible  components 

Incombustible or diluents 

Solid fuels: C,S,H 

N,O, ash and moisture 

Liquid fuels C,H,S 

N,O 

Gaseous  fuels    H2,  CO,  N2, CO2, O2, SO2  hydrocarbons, NH3 and H2S    In the table C is carbon, S is sulphur, H is hydrogen, N is nitrogen, O is oxygen. Note that in the solid fuels  they are present in the elemental form.  Combustion  is  a  fast  chemical  reaction  between  combustible  component(s)  and  an  oxidizing  agent.  Mostly air is used for combustion. Dry air contains 21% O2 and 79% N2 and so 1 mole of O2 carries with it  3.76 moles of N2. Combustion equations with air, when complete combustion takes place are  C+ (O2+3.76 N2) = CO2+3.76 N2                                (1)  S + (O2+3.76 N2) = SO2+3.76 N2                                 (2)      H2 +  (O2+3.76 N2) = H2O+1.88 N2                           (3)  CH4 +2 (O2+3.76 N2) = CO2+2H2O+7.52 N2              (4) 

 Similarly, for other hydrocarbons combustion reactions can be written. Note that complete combustion  refers to conversion of C,S,H2 or CH4 into CO2, SO2 and H2O. 

Objective of combustion   All fuels whether naturally occurring or synthetically prepared contain potential energy. Potential energy  of the fuel, on combustion with air is released in products of combustion (here after termed POC) at the  temperature which is termed flame temperature. POC transfer their heat to sink (sink could be furnace  chamber, charge materials etc) and then exit the system. Below are given the products of combustion  which can be obtained when air is used for combustion of fossil fuels:      POC                Release  of  potential  energy 

Complete combustion   CO2  H2O  SO2  O2  N2        Maximum  

Incomplete combustion   CO  H2O  H2 SO2 O2 N2 Unburnt carbon   Soot  Lower  than  that  of  complete  combustion  due  to CO, H2, unburnt C and soot in POC.    

  Objective of combustion is to attain complete combustion with stoichiometric amount of air as required  in equations 1 to 4. Complete combustion is also termed as perfect combustion. 

Stoichiometric amount of air:   Theoretically  complete  combustion  can  be  obtained  when  stoichiometric  amount  of  air  is  used.    Stoichiometric  amount  (also  termed  theoretical  air  or  air  for  complete  combustion)  of  air  can  be  calculated by considering the products of combustion obtained on complete combustion. In general any  balanced chemical equation (mole input = moles output) can be used to calculate stoichiometric amount  of  air.  In combustion equations 1 to 4, we note that 1mole of C requires 1 mole of O2 or 4.76 moles of air to  give 1 mole of CO2 and 3.76 moles of N2. Similarly 1 mole of H2 requires   mole of O2 or 2.38 moles of air  to give 1 mole H2O and 1.88 mole of N2.  In several other metallurgical processes like roasting (conversion of metal sulphide to oxide, reduction of  oxides, oxidation of impurities etc,) air or pure oxygen is used. In all these cases it is often required to  calculate stoichiometric amount of air. For example consider roasting of sulphide; 

ZnS  +  1.5O2  =  ZnO  +  SO2                                                                   5)        PbS  +  1.5O2  =  PbO  +  SO2  or in general  

 

 

 6) 

 

MS  + 1.5O2  =  MO  +  SO2                                                                      7)  M  stands  for  metal.  In  all  the  above  equations  the  amount  of  air  can  be  easily  calculated  following the stoichiometry of the reactions.  Let us calculate stoichiometric amount of air for combustion of solid fuel of composition 84%C,  5%H, 5% moisture and 6% ash, per kg of coal. Following the stoichiometry of combustion, the amout  of air would be      = 10.12m3 (1atm,273 K)/kg coal.  Note 1 kg mole= 22.4 m3 (1atm,273 K).                          

  

In the above example if actual amount of air is 0.5 moles then     We can also call‐ that 110.62% theoretical air is used for combustion.  Note:  Complete  combustion  can  occur  only  when  amount  of  air  is  equal  to  or  greater  than  stoichiometric  air.  When  excess  air  is  used,  POC  will  contain  O2  in  addition  to    CO2,  H2O,  N2  and  SO2.   

Importance of Air/ fuel ratio  For a given type of fuel, air/fuel ratio controls the combustion and amount of POC.  Consider combustion of fuel of amount        Let 

 

 with air 

  which produces POC 

  

 when 

 is constant. 

 Stoichiometric amount of air                                                                                                                                  Theoretically  if   i.

K