Крутов В.И. Методические указания по расчету горения газообразного топлива - файл n1.doc
приобрестиКрутов В.И. Методические указания по расчету горения газообразного топливаскачать (80.2 kb.)
Доступные файлы (1):
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 Al
2O
3, Fe
2O
3, Si
2O
3, CaO и др.
Элементарный анализ топлива.
Индекс | Состав |
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/м
3 (ккал/м
3) 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, H
2 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 CH
4 = 95%.
Искусственные газы:
коксовый газ – продукт коксования углей;
горючие компоненты – Н
2 = 46-60%; СН
4 = 20-30%;

МДж/м
3;
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%; Н
2 = 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 СО
2, Н
2О, SO
2,.
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 CO
2, O
2, SO
2, H
2O, N
2 содержится CO, H
2, CH
4.
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:
CH
4 + 2O
2 = CO
2 + 2H
2O + 8580ккал/нм
3;
H
2 + ЅO
2 = H
2O + 2580ккал/нм
3;
CO + ЅO
2 = CO
2 + 3022ккал/нм
3.
Неполное горение метана:
СН
4 + ЅО
2 = СО + 2Н
2 + 396ккал/нм
3.
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 + О
2 = СО
2 + 7980ккал/(кг
оС);
Неполное горение углерода:
2С + О
2 = 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 100м
3.
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/м
3 или кДж/кг;
q
дисс – тепло, пошедшее на процесс диссоциации, кДж;
V
П.Г. – объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы топлива, м
3;
С
П.Г. – объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м
3 оС).
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/м
3 или кДж/кг;

– физическое тепло подогретого топлива. кДж/м
3 или кДж/кг;
L
д – объем воздуха на единицу топлива, м
3/м
3 или м
3/кг;
С
В и С
Г – средние теплоемкости воздуха и топлива, кДж/(м
3 оС).
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: Wд.г. = 44г/м3;
Содержание влаги в природном газе: Wп.г. = 0г/м3 (газ сухой);
Теплота сгорания смеси:
;
Температура подогрева воздуха и газа: tВ = 600оС = 873К;
t
Г = 400
оС = 673К;
Температура уходящих продуктов сгорания (дыма): tП.Г. = 840оС = 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/м
3.
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:
 |
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 Св – 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).
Физическое тепло подогретого воздуха:

.
Начальная энтальпия продуктов сгорания:

.
По величине

, используя таблицу №7 (там же), находим приближенное значение

.
Определяем энтальпию продуктов горения при этой температуре:

Значения

,

и т.д. находим из таблицы №6 (там же).
Полученное значение

, значит,

.
Находим

– энтальпию продуктов сгорания при 2000
оС:

Получилось, что

, т.е. действительно калориметрическая температура

лежит в интервале

(

), которая равна:

.
Список использованной литературы
Расчет горения газообразного топлива. Методические указания к курсу «Теплотехника». – Алматы.: Минвуз Казахской ССР, 1983. – 32с.
Содержание