Материальный баланс горения топлива

100 100

Теплота сгорания топлива

Расчеты горения топлива

Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания этого топлива, т.е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты C, H и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлив относят к одному килограмму, а газового - к одному кубическому метру при нормальных условиях.

Различают теплоту сгорания топлива высшую Q_в^р и низшую Q_н^р. Различие между ними состоит в том, что в высшую теплоту сгорания топлива входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива, а в низшую теплоту сгорания это количество теплоты не входит.

Водяные пары в дымовых газах образуются за счет испарения влаги самого топлива, при сгорании водорода, находящегося в топливе, и влаги, входящей в состав воздуха, который используют в качестве окислителя горючих компонентов топлива.

Теплота конденсации одного килограмма водяного пара при атмосферном давлении составляет примерно 2500 кДж/кг. Количество водяных паров в рабочем топливе равно W^р /100. При сгорании одного килограмма водорода получается девять килограмм водяных паров (H₂ + 0,5 O₂ = H₂O). Следовательно, теплоту конденсации водяных паров определяют из формулы

W^р H^р

2500 (---- + 9 ----) = 25 W^р + 225 H^р (99)

тогда

Q_н^р = Q_в^р - 225 H^р - 25 W^р = Q_в^р - 25 (9*H^р + W^р) (100)

Теплоту сгорания сухого газа определяют по объемному составу, в процентах, и известной теплоте сгорания компонентов равной тепловым эффектам реакций их взаимодействия с кислородом, приведенных в таблице 19.

Низшая теплота сгорания, кДж/м³, составит

Q_н^р = 358,58 CH₄ + 591 C₂H₄ + 638,35 C₂H₆ + 913,5 C₃H₈ + 118,77 C₄H₁₀ + 146,23 C₅H₁₂ + 126,37 CO + 107,97 H₂ + 231,87 H₂S (101)

где состав газа в процентах.

Если в состав газа входят неизвестные углеводородные компоненты (при условии, что содержание метана известно), то сумму углеводородов условно принимают как содержание этилена C₂H₄ и теплоту сгорания рассчитывают по формуле, аналогичной вышеприведенному уравнению. Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту и облегчения планирования топливных ресурсов введено понятие об условном топливе, теплота сгорания которого принята равной 29300 кДж/кг(м³). Отношение Q_н^р данного топлива к Q условного топлива называется топливным эквивалентом, обозначаемым буквой Э. Тогда для пересчета расхода натурального В_н в условное В_ут достаточно величину В_н умножить на Э, т.е.

В_ут = В_н * Э = В_н * Q_н^р/Q_ут (102)

Материальный баланс горения различных видов топлива составляется для определения расхода воздуха, идущего на горение, а также для определения количества продуктов сгорания, образующихся в результате горения топлива. Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по стехиометрическим уравнениям горения, которые записывают для одного киломоля каждой горючей составляющей.

10.6.2.2.1. Определение расхода воздуха

Для газообразного топлива расход V₀ определяют, исходя из объемных долей горючих компонентов, входящих в состав газа, с использованием стехиометрических реакций, приведенных в таблице 19.

Теоретическое количество воздуха, м³ /м³ топлива, необходимого для сжигания газа, определяют по формуле

V₀ = 0, 0476 [0,5 (CO + H₂) + 1,5 H₂S + å(m + n/ 4) C_m H_n - O₂ ] (103)

где 0,0476 = 1/21 (здесь 21 - объемная концентрация кислорода в воздухе, %);

m - число атомов углерода в молекуле углеводорода;

n - число атомов водорода в молекуле углеводорода.

Объемную концентрацию компонентов подставляют в данное уравнение в объемных процентах.

Количество воздуха V₀, рассчитываемого по стехиометрическим уравнениям, называется теоретически необходимым, т.е. величина V₀ представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1 м ³) топлива при условии, что весь кислород, находящийся в нем будет полностью использован при горении.

Из-за определенных трудностей в организации процесса полного перемешивания топлива с воздухом в рабочем объеме топок могут появиться области, где будет ощущаться местный недостаток или избыток окислителя. В результате этого качество (полнота) горения ухудшается. Поэтому в реальных условиях воздух для горения топлива подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством V₀. Отношение действительного количества воздуха, подаваемого в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:

a = V_д /V₀ (104)

При проектировании и тепловом расчете топок или других камер сгорания значение α выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива и способа сжигания в пределах 1,02 – 1,5.

9.6.2.2.2.Состав и количество продуктов полного сгорания топлива

Продукты полного сгорания топлива при a = 1 содержат: сухие (неконденсирующиеся) трехатомные газы CO₂ и SO₂; H₂O - водяной пар, полученный при горении водорода; N₂ - азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха.

Кроме того, в состав продуктов сгорания входят водяной пар, получающийся при испарении влаги топлива и пар, вносимый в топку с влажным воздухом, а также пар, используемый иногда при сжигании мазута для распыления. При температуре продуктов сгорания ниже точки росы водяной пар конденсируется. При полном горении при a = 1 в продуктах сгорания будут содержаться только CO₂, SO₂, H₂O и N₂; если a > 1, то в них будет присутствовать и избыточный воздух, т.е. дополнительное количество кислорода и азота.

Процентное содержание соответствующих газов по объему обозначим через CO₂, N₂, SO₂ и т.д., а через VCO₂, VSO₂, VN₂ и т.д. их объемы, получающиеся при сжигании 1 кг (1 м ³) топлива, приведенные к нормальным условиям (индекс «т» показывает, что расчеты проводятся при a = 1). Тогда получим:

CO₂ + SO₂ + N₂ + H₂O = 100 % (105)

или

V^т _п.г.= VCO₂ + VSO₂ + VN₂ + VH₂O (106)

где V _п.г. - суммарный объем продуктов сгорания, приведенный к нормальным условиям, м ³ /м³.

Для упрощения расчетов объемы сухих трехатомных газов подсчитывают совместно и сумму их условно обозначают символом RO₂, т.е.

VRO₂ = VCO₂ + VSO₂ (107)

Сумма первых трех составляющих компонентов продуктов сгорания в равенстве (106) представляет объем сухих газов V _с.г. и, следовательно,

V _п.г. = V _с.г. + VH₂O (108)

где V _с.г.= VRO₂ + VN₂.

Теоретические объемы продуктов сгорания 1 м ³ газообразного топлива рассчитывают на основании стехиометрических уравнений реакций горения, приведенных в таблице 15. При полном горении горючих составляющих газообразного топлива CO, H₂ и C_m H_n образуются диоксид углерода CO₂ и водяные пары. При сгорании сероводорода H₂S помимо водяных паров образуется сернистый газ SO₂.

Объем трехатомных газов, м ³ /м ³,

VRO₂ = 0,01 (CO₂(т) + CO + H₂S + åm C_mH_n) (109)

Объем водяного пара, м ³ /м ³, при a = 1

VH₂O(т) = 0,01 (H₂S + H₂ + 0,124 d_г + ån/2 C_mH_n) (110)

где d_г - влагосодержание газообразного топлива, кг/м ³, которое зависит от

начальной температуры газа и имеет следующие значения:

t, ⁰C 0 10 20 40 60 80

d_г, г/м ³ 5 10 19 65 200 740

Объем азота определяется по формуле VN₂ = 3,76*VO₂.

Объем сухих газов и суммарный объем продуктов сгорания определяют по формулам (108) и (106).

При a > 1 действительный объем сухого газа остается постоянным. Действительный объем водяного пара определяется по формуле

VH₂O(д) = 0,01 (H₂S + H₂ + α * 0,124 d_г + ån/2 C_mH_n) (111)

Действительный объем азота

VN₂(д) = VN₂(топ) + VN₂(возд)*α (112)

Если состав непредельных углеводородов, входящих в газ, неизвестен, а общее их содержание не превышает 3 - 4 %, то в расчете они учитываются как C₂H₄.

10.6.2.2.3. Тепловой баланс процесса горения топлива

Тепловой баланс процесса горения составляют для определения температуры горения. Под действительной температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания, покидающие зону горения. Эта температура зависит от теплоты сгорания топлива, конструкции и особенностей сожигательного устройства, температуры топлива и воздуха, подаваемых в зону горения, величины потерь тепла в окружающую среду и от интенсивности протекания реакций диссоциации продуктов сгорания. Последний фактор начинает заметно сказываться при температуре горения порядка 2100 К, когда становятся заметными реакции разложения CO₂ и H₂O, входящих в состав продуктов сгорания, сопровождающиеся поглощением тепла.

Тепловой баланс зоны горения выражается формулой

Q_н^р + Q _г + Q _ф.в = Q _п.г + Q _дисс + Q _о.с + Q_п (113)

где Q_н^р - теплота сгорания топлива, рассчитанная по формуле (101) в кДж/м³

Q _г = С_г Т_г, кДж/м ³ - физическая теплота топлива, вносимая им в зону горения;

Q _ф.в = С_в Т_в*α*V_д, кДж/м ³ - физическая теплота воздуха, вносимая им в зону горения;

Q _п.г = С _п.г*Т _п.г *V^д _п.г, кДж/м ³ - теплота продуктов сгорания, покидающих зону горения;

Q_п - потери теплоты в зоне горения, связанные с химическими и механическим недожогом топлива, кДж/м³ топлива;

Q _дисс - потери теплоты, связанные с диссоциацией продуктов сгорания в зоне горения, кДж/м³ топлива;

Q _о.с - потери тепла в окружающую среду, кДж/м³ топлива.

Подставив значения слагаемых в последнее уравнение, получим формулу для определения действительной температуры горения

Q_н^р + Q _г + Q _ф.в – Q _п – Q _о.с – Q _дисс

Т_д = --------------------------------------------------. (114)

С _п.г *V^д _п.г

Определение действительной температуры горения аналитически или экспериментально представляет сложную задачу. В связи с этим в теплотехнических расчетах определяют обычно теоретическую или калориметрическую температуру горения.

Современные сожигательные устройства позволяют исключить нерегулируемый недожог (Q _н = 0). Принимая условия в зоне горения адиабатными (Q _о.с = 0), определяем теоретическую температуру горения

Т_т = (Q_н^р + Q _г + Q _ф.в – Q _дисс)/(С _п.г *V^д _п.г). (115)

Из формул (114) и (115) видно значительное влияние подогрева воздуха и топлива, а также коэффициента расхода воздуха на величины Т_д и Т_т. Влияние подогрева тем больше, чем выше температура подогрева и чем ниже теплота сгорания топлива.

Подогрев топлива и воздуха особенно важен при сжигании низкокалорийных газов в высокотемпературных печах, причем, в ряде случаев применение этих газов без подогрева становится просто невозможным.

Изменение коэффициента расхода воздуха сложным образом влияет на температуру горения. При a > 1 увеличение коэффициента расхода воздуха приводит к понижению действительной температуры горения, так как при a > 1 химический недожог отсутствует, но имеет место увеличение объема продуктов сгорания, что приводит к снижению температуры горения.

Калориметрическая температура горения определяется для адиабатных условий в предположении отсутствия потерь тепла, связанных с диссоциацией продуктов сгорания (Q _дисс = 0)

Т_к = (Q_н^р + Q _г + Q _ф.в)/(С _п.г V^д _п.г). (116)

Если подогрев топлива и воздуха невелик или полностью отсутствует, то

Т_к = Q_н^р /(С _п.г V^д _п.г). (117)

В формулы, при помощи которых определяются температуры горения, входит теплоемкость продуктов сгорания, которая является функцией температуры. В связи с этим калориметрическую температуру определяют методом последовательных приближений, используя понятие объемной энтальпии:

I_о = С _п.г Т_к = (Q_н^р + V_в^д С_в Т_в + С_г Т_г)/ V^д _п.г. (118)

По энтальпии, вычисленной по формуле (118), можно определить калориметрическую температуру горения топлива путем построения графика зависимости энтальпии продуктов сгорания от температуры I = f(T), воспользовавшись данными таблицы 20, где приведены значения энтальпий компонентов продуктов сгорания при различных температурах.

Для этого необходимо умножить процентное содержание каждого составляющего продуктов сгорания на его энтальпию, взятую из таблицы 16, и вычислить энтальпию продуктов сгорания при каждой температуре от 200 ⁰С до 2000 ⁰С по формуле

I п.г(i)=0,01*(CO₂*I CO₂(i) + H₂O*I H₂O(i) + N₂*I N₂(i) + O₂*I O₂(i)) (119)

где I п.г(i) - частное значение энтальпии продуктов сгорания при какой-то одной температуре, кДж/м ³;

I CO₂(i), I H₂O(i), I N₂(i) и I O₂(i) - частное значение энтальпии компонентов продуктов сгорания при какой-то одной температуре, кДж/м ³;

CO₂, H₂O, N₂ и O₂ - процентное содержание компонентов продуктов сгорания.

По найденной энтальпии продуктов сгорания при каждой температуре строится график зависимости I п.г = f(t), по которому и определяется искомая калориметрическая температура горения топлива, отмечая на нем рассчитанную по формуле (119) объемную энтальпию.

а) Приходные статьи баланса

1). Теплота горения отопительного газа определяется по формуле

Q _г.т. = V_x * Q_н^р, кДж/т, (120)

где V_x - искомый расход сухого газа на обогрев батареи, м3/т шихты;

Q_н^р - низшая теплота сгорания сухого газа, кДж/м3, определяется расчетным путем по известным составу газа и тепловым эффектам реакций окисления горючих компонентов топлива определяется по формуле (101)

2). Тепло отопительного газа и паров воды, которые вносятся с ним

Q_г = V_x * t_г * (C_г + W_г* C_п),кДж/т. (121)

В этой формуле C_г и C_п - средние теплоемкости соответственно газа и паров воды при температуре t_г поступления их в отопительную систему. Для доменного газа эта температура определяется температурой в туннелях и составляет порядка 35 ⁰С. Для коксового газа, который во избежание выделения из него нафталина и конденсата в арматуре печей перед разветвлением в туннели подогревается в решефере до температуры t_г = 60 ⁰C.

Влажность газа (W_г) в расчете на сухой газ определяется так:

p*

W_г = -------- 100 % (122)

Р - p*

где p* - парциальное давление водяных паров, насыщающих газ в процессе мокрой очистки при температуре 25 ⁰С. По пути к печам, особенно в жаркие летние дни, а также в туннелях газ дополнительно нагревается, однако содержание водяных паров в нем при этом не возрастает. Если температура газа снижается, избыточная влага конденсируется и отводится через гидрозатворы.

Р – общее давление газа, которое равно атмосферному (если не известно, то принимается 750 мм.рт.ст.) плюс избыточное давление, под которым находится газ в газопроводе (120 - 140 мм вод.ст.).

Дата добавления: 2014-01-07