Крутов В.И. Методические указания по расчету горения газообразного топлива - файл n1.doc

приобрести
Крутов В.И. Методические указания по расчету горения газообразного топлива
скачать (80.2 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.doc

373kb.

27.09.2007 21:27

скачать

n1.doc

Содержание

Содержание 1

Топливо и его горение 2

Химический состав топлива. 2

Элементарный анализ топлива. 2

Теплота сгорания топлива. 3

Условное топливо. 3

Газообразное топливо. 4

Жидкое топливо. 4

Твердое топливо. 4

Горение топлива. 5

Горение газообразного топлива. 5

Горение жидкого топлива. 6

Горение твердого топлива. 6

Расчет горения топлива. 7

Расчет горения смеси природного и доменного газов. 9

Исходные данные для расчета 9

Расчет состава природно-доменной смеси. 9

Список использованной литературы 15

Топливо и его горение

Основным источником энергии для металлургической промышленности является топливо.

Под топливом понимают вещество, горение которого сопровождается выделением значительного количества тепла и которое отвечает следующим требованиям:

запасы должны быть достаточными для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и попользовать;
продукты сгорания должны легко удаляться из зоны горения;
продукты сгорания должны быть безвредны для окружающего мира и самих тепловых устройств;
процесс горения должен быть легко управляем.

Этим требованиям отвечают органические соединения, содержащие углерод С и водород Н и их соединения.

Все виды топлива подразделяют на естественное и искусственное, каждое из которых в свою очередь подразделяются на твердое, жидкое, газообразное.

Химический состав топлива.

Топливо состоят из горючей массы и балласта. К горючим компонентам относятся С, Н, S (сера органическая и колчеданная). В состав топлива входят азот N (не горит, теплоноситель), кислород О (окисляет горючие компоненты).

Кроме этого в топливе всегда присутствуют вода и зола. Вода, содержащаяся в топливе, подразделяется на гигроскопическую, химически связанную и внешнюю, которая механически удерживается в топливе и теряется при сушке.

Зола – это негорючая минеральная часть топлива, состоящая из Al₂O₃, Fe₂O₃, Si₂O₃, CaO и др.

Элементарный анализ топлива.

Индекс	Состав
Индекс	C	H	O	N	S	A	W
О	органическая масса
Г	горючая масса
С	сухая масса
Р	рабочая масса

Состав рабочего топлива:
С^Р + H^Р + O^Р + N^Р + S^Р + A^Р + W^Р = 100%
Пересчет состава топлива с любой массы на рабочее топливо выполняется по одному из следующих выражений:

Теплота сгорания топлива.

Количество выделившегося тепла при сжигании топлива связано с химическим составом топлива.

Количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива, называется теплотой сгорания топлива Q. Ее размерности: кДж/кг (ккал/кг), кДж/м³ (ккал/м³) или кДж/кмоль (ккал/кмоль).

В технике различают высшую Q_в и низшую Q_н теплоту сгорания топлива. Под низшей теплотой сгорания понимают то количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива до продуктов полного сжигания при условии, что вода, содержащаяся в продуктах сгорания, находится в виде пара, охлажденного до 20^оС.

Теплота сгорания топлива определяется по следующим формулам:

для твердого и жидкого топлива:

для газообразного:

,
где C^P, H^P, CO, H₂ и т.д. – составляющие топлив, %;

4, 187кДж = 1ккал.

Условное топливо.

Для удобства планирования, учета и сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, которое характеризуется низшей теплотой сгорания

.
Для перевода натурального топлива в условное находится эквивалент данного топлива:

для твердого и жидкого:

для газообразного:

.
Перерасчет расхода натурального топлива Вр на условное Ву осуществляется по формуле:

Газообразное топливо.

Газообразное топливо по сравнению с твердым и жидким топливом обладает следующими преимуществами:

возможностью лучшего смешения газа с воздухом и, следовательно, сжиганием с меньшим избытком воздуха;
легкостью подогрева перед сжиганием;
отсутствием золы;
транспортабельностью и удобством учета расхода газа;
простотой обслуживания горелочных устройств.

Недостатки: взрывоопасность, малая объемная масса (требуются большие емкости для хранения).

Природный газ – наиболее дешевое топливо. Его основным горючим компонентом является метан CH₄ = 95%.

Искусственные газы:

коксовый газ – продукт коксования углей;

горючие компоненты – Н₂ = 46-60%; СН₄ = 20-30%;

МДж/м³;

доменный (колошниковый) газ получают в процессе доменной плавки, содержит около 30% СО; МДж/м³.

Жидкое топливо.

Естественное жидкое топливо – нефть. Как топливо ее используют редко.

Искусственное жидкое топливо – это продукты переработки нефти: бензин, лигроин, керосин, газойль и др. Остаток переработки – мазут. Мазут – топливо металлургической промышленности и энергетики. Перед сжиганием мазут нагревают до 70-80^оС с целью понижения его вязкости. Состав мазута – это соединения углеродов. С = 85-88%; Н₂ = 10%;

МДж/кг.

Твердое топливо.

Это каменный и бурый угли, антрацит, горючие сланцы, торф.

Основной метод переработки угля – коксование, заключающийся в сухой перегонке топлива путем нагрева угля без доступа воздуха при температурах 900-1100^оС в коксовых печах. Получается спекшийся кокс, пористый, механически прочный, применяемый в металлургии, в основном для выплавки чугуна. Содержание С=75-85%;

МДж/кг.

Горение топлива.

Горением называют химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и быстрым подъемом температуры продуктов сгорания.

Объем движущихся газов, в котором совершаются процессы горения, называется пламенем.

В зависимости от величины коэффициента расхода n (отношение действительного расхода к теоретическому), условий смешения окислителя и топлива, горение топлива бывает полное или неполное.

Полное горение топлива получается при n ? 1 и полном смешении топлива с окислителем.

Продуктами полного горения являются СО₂, Н₂О, SO₂,.

Неполное горение:

химический недожог получается при n ? 1;
механический недожог получается при n ? 1 из-за плохого смешения окислителя с топливом, кроме того, унос частиц с газом, провалом твердого топлива сквозь колосниковую решетку.

Неполное горение вызывает потерю тепла (топлива). При неполном горении в продуктах горения наряду с CO₂, O₂, SO₂, H₂O, N₂ содержится CO, H₂, CH₄.

Следует помнить, что основную роль для обеспечения полного сжигания топлива при n ? 1 играет стадия смешения топлива с окислителем.

Горение газообразного топлива.

Процесс горения любого топлива разделяется на две стадии: воспламенение и непосредственное горение.

Полное сгорание основных горючих составляющих газообразных топлив происходит по следующим реакциям:
CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 8580ккал/нм³;

H₂ + ЅO₂ = H₂O + 2580ккал/нм³;

CO + ЅO₂ = CO₂ + 3022ккал/нм³.
Неполное горение метана:
СН₄ + ЅО₂ = СО + 2Н₂ + 396ккал/нм³.
Горение газообразного топлива бывает кинетическое и диффузорное:

под кинетическим горением понимают горение газовой смеси горючего и окислителя; в этом случае полное время процесса определяется только скоростью химической реакции;
при диффузорном горении процессы смешения и горения происходят в одном объеме; лимитирующим процессом является процесс смешения – физический процесс, протекающий с меньшей скоростью, чем собственно процесс горения.

Горение жидкого топлива.

В условиях промышленных печей жидкое топливо (обычно мазут) сжигают в распыленном состоянии. Кинетика горения: жидкое топливо, распыленное до мелких капель, попадая в пространство печи, нагретое выше температуры самовоспламенения, начинает испаряться, дальше смешивается с окислителем и горит.

Горение твердого топлива.

Процесс горения твердого топлива может быть разделен на следующие стадии:

подогрев и подсушка топлива;
процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и образованием коксового остатка;
горение летучих, горение коксового остатка (углерод).

Полное горение углерода:
С + О₂ = СО₂ + 7980ккал/(кг ^оС);
Неполное горение углерода:
2С + О₂ = 2СО + 2340ккал/(кг ^оС).

Расчет горения топлива.

Для удобства расчет горения твердого и жидкого топлива ведется на 100кг топлива, а расчет горения газообразного топлива на 100м³.

При расчете делают следующие допущения:

смешение окислителя с горючим идеальное, и горение идет до полного сгорания топлива (до СО₂ и Н₂О);
в системе достигнуто термодинамическое равновесие;
диссоциация продуктов сгорания и горючих принимается равной нулю.

Состав топлива для расчета должен быть пересчитан на рабочую массу.

Целью расчета является определение:

количества необходимого для горения воздуха или дутья, обогащенного кислорода.

Количество воздуха, необходимого для горения горючих компонентов топлива, определяется по стехиометрическим соотношениям, называется теоретически (химически) необходимым воздухом.

Действительный расход L_д для более полного сжигания обычно теоретический L_т, т.к. в реальных условиях газогорелочными устройствами не обеспечивается идеальное смешение.

Отношение

называется коэффициентом расхода воздуха.

количества состава и плотности образующихся продуктов сгорания.

При определении количества и состава продуктов исходят из тех же уравнений горения.

температуры горения.

Различают три температуры горения: действительную, теоретическую и калориметрическую.

действительная температура – это та температура, которую имеют продукты сгорания в конкретных условиях процесса сжигания топлива, она определяется по формуле:

,
где

– пирометрический коэффициент (определяется экспериментально);

для топочных камер

= 0,95;

для мартеновских печей

= 0,85-0,9;

для садочных печей

= 0,8-0,85;

для проходных и протяжных

= 0,7-0,75;

t_k – калориметрическая температура горения, ^оС.

теоретическая температура горения определяется с учетом диссоциации в продуктах сгорания:

,
где

– теплота сгорания топлива, кДж/м³ или кДж/кг;

q_дисс – тепло, пошедшее на процесс диссоциации, кДж;

V_П.Г. – объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы топлива, м³;

С_П.Г. – объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м^{3 о}С).

калориметрическая температура определяется из условия, что все выделившееся при горении тепло расходуется на повышении температуры продуктов сгорания (т.е. для адиабатных условий):

,
где

– физическое тепло подогретого воздуха, кДж/м³ или кДж/кг;

– физическое тепло подогретого топлива. кДж/м³ или кДж/кг;

L_д – объем воздуха на единицу топлива, м³/м³ или м³/кг;

С_В и С_Г – средние теплоемкости воздуха и топлива, кДж/(м^{3 о}С).
Калориметрическую температуру находим методом последовательных приближений, используя понятие энтальпии.

Начальная энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле:

,
По значению

задаемся возможным значением температуры горения^¹ и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания. Если

, то истинная калориметрическая температура ниже, чем

. Поэтому задаемся температурой

и снова находим энтальпию продуктов сгорания. Если

, то действительная калориметрическая температура продуктов сгорания лежит в интервале

и может быть найдена по формуле:

.
Окончательное значение t_k следует перевести в градусы Кельвина.

Расчет горения смеси природного и доменного газов.

Исходные данные для расчета

Состав сухого природного и доменного газов, %

Газ	CO	CO₂	CH₄	C₂H₆	C₃H₈	C₄H₁₀	C₅H₁₂	H₂	N₂	O₂	?
Природный	-	0,5	85,0	4,0	2,5	1,5	1,5	-	5,0	-	100
Доменный	27	12,7	0,3	-	-	-	-	1,4	58,6	-	100

Коэффициент расхода воздуха: n = 1,14;
Содержание влаги в доменном газе: W_д.г. = 44г/м³;
Содержание влаги в природном газе: W_п.г. = 0г/м³ (газ сухой);
Теплота сгорания смеси: ;
Температура подогрева воздуха и газа: t_В = 600^оС = 873К;

t_Г = 400^оС = 673К;

Температура уходящих продуктов сгорания (дыма): t_П.Г. = 840^оС = 1113К;
Расчет ведется на 1м³ газа.

Расчет состава природно-доменной смеси.

1. Пересчет состава сухого доменного газа на влажный.

Объемный процент водяных паров во влажном доменном газе:

.
Коэффициент пересчета состава сухого доменного газа во влажный (рабочий):

.
Рабочий состав доменного газа:

;

.
Таблица 1. Состав рабочего доменного газа.

Газ	СН₄	СО₂	H₂	CO	N₂	H₂O	?
Доменный	0,285	12,039	1,337	25,596	55,553	5,19	100

2. Определение теплоты сгорания газов

.

Природного газа:

.
Доменного газа:

.
3. Расчет состава смеси природного и доменного газов.

Принимаем долю доменного газа в природно-доменной смеси (ПДС) за x, тогда доля природного газа будет равна y = (1-x). Составляем уравнение:

,
где

– исходная теплота сгорания смеси газов, МДж/м³.

Находим, что

.
у = (1-х) = 1-0,747 = 0,253.
Состав смешанного газа, %.

;

Таблица 2. Состав природно-доменной смеси.

CO	CO₂	CH₄	C₂H₆	C₃H₈	C₄H₁₀	N₂	H₂	H₂O	?
20,48	9,1196	21,7877	1,0314	0,7448	0,4641	41,0975	1,0185	3,8769	100

Проверка:

Погрешность: 0,004%.
4. Плотность ПДС и воздуха.

Плотность ПДС.

.
Плотность воздуха.

5. Расход воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива.

Теоретический расход воздуха (n = 1).

Действительный расход воздуха (n = 1,14).

6. Расчет количества и состава продуктов сгорания.

Объем углекислого газа в ПГ:

Объем водяных паров в ПГ:

Объем азота в ПГ:

Объем избыточного кислорода в ПГ:

Общее количество ПС:

Состав ПС:

Таблица 3. Состав продуктов сгорания.

Продукты сгорания	СО₂	Н₂О	N₂	O₂	?
%	13,1626	12,8199	71,9703	2,0472	100

Плотность ПС:

7. Материальный баланс процесса горения.

Приход, кг	Расход, кг	Невязка баланса, %
1. Газ:	Продукты сгорания:
2. Воздух:	Продукты сгорания:
Всего: 5,728кг	5,723кг

8. Определение калориметрической температуры горения.

Находим начальную энтальпию продуктов сгорания

по формуле, где известно физическое тепло подогретого газа и воздуха.

Физическое тепло газа:

где

– теплоемкость подогретого газа при t = 400^oC, найденная по формуле:

где:

теплоемкости , и т.д., а также С_в – теплоемкость подогретого воздуха берем из таблицы №4 (Расчет горения газообразного топлива. Методические указания к курсу «Теплотехника», Алматы – 1983г.);
теплоемкости для газов метанового ряда берем из таблицы №5 (там же).