Топливо – это вещества органического происхождения, которые при нагревании в присутствии кислорода интенсивно окисляются с выделением значительного количества тепла.
1.1. Классификация топлива.
В основном топливо классифицируют по его происхождению и агрегатному состоянию. Топливо всех видов подразделяют на естественное и искусственное, каждое из которых в свою очередь может быть твердым, жидким или газообразным (табл. 1).
Таблица 1
Общая классификация топлива
Агрегатное состояние топлива | Происхождение | |
естественное | искусственное | |
твердое | Дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючий сланец | Древесный уголь, кокс, угольная пыль |
жидкое | Нефть | Продукты химико-термической переработки нефти (бензин, керосин, мазут), смола каменноугольная и др. |
газообразное | Природный газ | Коксовый, доменный, генераторный, конвертерный газы |
1.2. Химический состав топлива.
Количество выделяемого при горении тепла в значительной степени зависят от химического состава топлива.Так как топливо органического происхождения, то основными его составляющими являются углерод и водород. Углерод и водород находятся в топливе в виде различных соединений. В состав топлива обычно входят кислород, азот и сера также в виде различных соединений. Кроме того, в топливе всегда присутствуют вода и зола.
Чтобы установить состав топлива, проводят его химический анализ. При химическом анализе твердого или жидкого топлива производится определение элементарного состава (содержания С, Н, О, N, S) а также негорючей части топлива – золы А и влаги W.
В соответствии с элементарным анализом в топливе различают: органическую массу, в состав которой входят элементы С, Н, О, N; горючую массу - С, Н, О, N, S; сухую массу - С, Н, О, N, S, А; рабочую массу - С, Н, О, N, S, А, W.
Пересчет состава из одной массы на другую выполняется по следующим выражениям, %:
ХО=ХГ
ХО=ХС
ХО=ХР
ХГ=ХС
ХГ=ХР
ХС=ХР
где ХР, ХС, ХГ, ХО – содержание какого-либо элемента соответственно в рабочей, сухой, горючей и органической массе.
2. Основы теории горения.
2.1. Общая характеристика процессов горения топлива.
Горением называется процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепла. Роль окислителя в большинстве случаев выполняет кислород воздуха.
Для того, чтобы происходило горение, необходимо обеспечить тесный контакт между молекулами топлива и окислителя, т.е необходимо смешать топливо с воздухом.
Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий:
1. смешение топлива с воздухом;
2. горение топлива.
Во время протекания второй стадии происходят сначала воспламенение, а затем уже и горение топлива.
В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива, и происходит выделение тепла. В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пылевидного топлива применяют так называемый факельный метод сжигания. Факел – это частный вид пламени, образующего при подаче топлива и воздуха в рабочее пространство печи в виде струй, постепенно перемешивающихся друг с другом.
При факельном сжигании топлива аэродинамическую основу процесса составляют струйные течения. Поскольку при факельном сжигании характер движения струй может быть ламинарным и турбулентным, в процессах смешения большая роль принадлежит молекулярной и турбулентной диффузии.
Ламинарным называют такое движение, когда струйки газа протекают параллельно одна другой, не пересекаясь. При турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа.
На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные средства (устройства, направляющие струи под углом друг к другу, устройства для закручивания струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение топлива с воздухом так, как это необходимо для каждого конкретного случая.
Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло – и массообмен происходят между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горение свойственно газообразному топливу и происходит в объеме.
При гетерогенном горении тепло – и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (обмен происходит между газом и поверхностью частиц топлива). Такое горение свойственно жидкому и твердому топливам.
Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффузионной областях.
При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, и в зону горения подают заранее подготовленную топливо – воздушную смесь. При диффузионном гомогенном горении поцессы горения и смешения не разделены и совершаются практически одновременно.
2.2. Возникновение пламени.
Возникновение пламени ( воспламенение топлива) может произойти только после того, как будет достигнут необходимый контакт молекул топлива и окислителя. Любая реакция окисления протекает с выделением тепла. Вначале реакция окисления идет медленно с выделением малого количества тепла. Однако выделяющееся тепло способствует повышению температуры и ускорению реакции, что в свою очередь приводит к более энергичному выделению тепла, которое опять–таки оказывает благоприятное влияние на развитие реакции. Таким образом, происходит постепенное нарастание скорости реакции до момента воспламенения, после чего реакция идет с очень большой скоростью и носит лавинный характер. В реакциях окисления неразрывно связаны друг с другом механизм химической реакции и тепловые характеристики процесса окисления. Первичным фактором является химическая реакция и вторичным – выделение тепла. Оба эти явления тесно связаны между собой и влияют друг на друга.
В практических условиях обычно прибегают к искусственному поджиганию топлива, вводя в зону горения определенное количество тепла, что приводит к резкому ускорению момента достижения воспламенения.
В большинстве случаев выделение тепла при горении сопровождается потерями тепла в окружающую среду. Соотношения между выделяемым количеством тепла и теплом, передаваемым в окружающую среду, имеет большое значение для развития процесса воспламенения топлива. При стационарном состоянии процесса количество выделяющегося в единицу времени тепла должно быть равно количеству теряемого тепла. По мере окисления топлива значение температуры будет возрастать. И температура достигнет своего наибольшего значения, когда тепловыделение еще равно теплоотдаче. При дальнейшем увеличении тепловыделения начинается переход к резкому нестационарному выгоранию смеси, проходящему с бурным нарастанием температуры и скорости реакции, т. е. происходит тепловой взрыв.
Температура, при которой начинается нестационарный процесс выгорания смеси, называется температурой воспламенения.
Таким образом, температура воспламенения не является физико-химической константой, определяемой только свойствами смеси, она определяется условиями протекания процесса, т. е. характером теплообмена с окружающей средой (температурой, формой сосуда и др. ).Температуры воспламенения различных топлив приведены в табл. 1.
Таблица 1
Температуры воспламенения в воздухе при атмосферном давлении
Вещество | Температура воспламенения, К | Вещество | Температура воспламенения, К | ||
минимальная | максимальная | минимальная | максимальная | ||
Водород | Ацетилен | ||||
Окись углерода | Бензин | ||||
Метан | Керосин | ||||
Этан | Нефть | -- | |||
Пропан | Бурый уголь | -- | |||
Бутан | Кокс |
Кроме температуры, большое влияние на процесс зажигания топлива оказывает концентрация горючей составляющей в смеси. Существуют такие минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых вынужденное воспламенение произойти не может. Такие предельные концентрации называются концентрационными пределами воспламенения, значения их для некоторых газов приведены в табл. 2. Чтобы установить пределы воспламенения промышленных газов, которые являются смесью различных горючих компонентов, пользуются правилом Ле-Шателье, по которому
, (1)
где Z - искомый нижний или верхний предел воспламенения,
Z1, Z2, Z3 - соответствующие пределы воспламенения для горючих компонентов
топлива,
P1, P2, P3 – процентное содержание отдельных горючих компонентов в топливе.
Таблица 2
Концентрационные пределы воспламенения, %
Вещество | Газо-воздушная смесь | Газо-кислородная смесь | ||
нижний предел | верхний предел | нижний предел | верхний предел | |
Водород | 9,5 | 65,2 | 9,2 | 91,6 |
Окись углерода | 15,6 | 70,9 | 16,7 | 93,5 |
Метан | 6,3 | 11,9 | 6,5 | 51,9 |
Негорючие составляющие газообразного топлива влияют на границы воспламенения, они повышают нижний и понижают верхний пределы воспламенения.
2. 3. Горение газообразного топлива.
Горение газов происходит в объеме и относится к гомогенному горению. Оно может происходить как в кинетической, так и в диффузионной области.
Кинетическое горение.
После того, как произошло воспламенение, наступает процесс распространения пламени, связанный с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива. Подобная передача тепла определяется законами теплопроводности и диффузии, и сильно зависит от характера пламени. Если пламя распространяется в неподвижной смеси или смеси, движущейся ламинарно, то основной формой передачи тепла будет молекулярная теплопроводность. Подобный чисто теплопроводный процесс получил название нормального горения.
При турбулентном движении газо – окислительной смеси большую роль приобретает турбулентная диффузия. При некоторых условиях распространение пламени происходит с огромной скоростью и имеет характер взрывной волны. Подобное распространение пламени получило название детонационного горения или просто детонации.
Важнейшими факторами, влияющими на скорость распространения нормального горения, являются состав горючей смеси, предварительная температура подогрева смеси или отдельных ее компонентов и давление.
Для всех горючих газов существует оптимальное соотношение газа и воздуха, при котором скорость нормального горения достигает максимальной величины. При этом максимум скорости нормального горения никогда не соответствует стехиометрическому соотношению, а всегда смещен в сторону избыточного содержания газа в горючей смеси. Температура горения (или тепловыделение) достигает своего наибольшего значения именно при стехиометрическом соотношении.
Горение при турбулентном режиме более распространенный случай в металлургической практике, чем горение в спокойной или ламинарно движущейся среде. На скорость турбулентного горения и на состояние фронта горения большое влияние оказывает общий уровень турбулентности потока и сам процесс горения, поскольку при определенных условиях возникает неустойчивость фронта горения.
Диффузионное горение.
В настоящее время широко распространен диффузионный метод сжигания газообразного топлива, при котором смешение и горение происходят в одном объеме. И при кинетическом, и при диффузионном горении образуется фронт горения, в котором горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. Достижение стехиометрического соотношения, которое при наличии постоянного поджигателя (в металлургических печах всегда есть поджигатель) обеспечивает необходимые условия для протекания процесса горения, зависит от характера перемешивания топлива с воздухом. Поэтому процессы смешения при диффузионном горении играют первостепенную роль.
Диффузионные пламена имеют сложный турбулентный характер и изучены пока недостаточно.
2. 4. Горение жидкого топлива.
В условиях промышленных печей жидкое топливо сжигают в распыленном состоянии.
Процесс горения жидкого топлива складывается из следующих стадий:
·распыливание,
·воспламенение, которому предшествует и способствует процесс смешения, подогрева и испарения,
·горение капли жидкого топлива.
Процесс распыливания топлива основан на дроблении жидкости распылителем. Дробление будет происходит в том случае, если давление движущегося распылителя будет превышать действие поверхностного натяжения.
Воспламенение жидкого топлива происходит так: жидкое топливо, попав в среду с высокой температурой, начинает испаряться. Около поверхности капли образуется паро – воздушная смесь, которая воспламеняется первой. Температура, при которой происходит воспламенение паро – воздушной смеси, называется температурой вспышки топлива. Обычно температура кипения жидкого топлива ниже температуры воспламенения.
Горение капли. Все процессы, из которых складывается горение топлива, совершаются или на поверхности, или около поверхности капли.
Температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры воспламенения, поэтому горение жидкого в основном происходит в паровой фазе. Процессы горения паро – воздушной смеси и испарения тесно связаны между собой. При горении жидкого топлива осуществляется теплообмен между газовой средой и поверхностью жидкости, т. е. между средами, находящимися в разных агрегатных состояниях, что придает всему процессу гетерогенный характер
Общее время горения капли находят из анализа изменения размеров капли в связи с процессами тепло – и массопереноса. Оно прямо пропорционально плотности, размеру капли и скрытой теплоте капли и обратно пропорционально теплопроводности капли, а также перепаду температур между газовой средой и поверхностью капли.
2. 5. Горение твердого топлива.
Горение твердого топлива относится к гетерогенному.
Процесс горения твердого топлива складывается из следующих стадий:
· подогрев и подсушка топлива,
· процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и образованием коксового остатка,
· горение летучих,
· горение коксового остатка.
Процесс выделения летучих, т. е. горючей смеси различных газообразных составляющих – Н2, СО, СН4, СmHn и др., протекает при подогреве топлива до 200 С и выше. Температура начала выделения летучих зависит от возраста угля. Чем "старше" уголь, чем выше в нем содержание углерода, тем при более высокой температуре начинается процесс выделения летучих. Летучие в процессе горения твердого топлива играют важную роль, которая различна при горении кускового топлива и угольной пыли.
При горении кускового топлива летучие выделяются при сравнительно умеренных температурах, смешиваются с воздухом и воспламеняются первыми. Таким образом, горением летучих начинается процесс горения всего топлива. Тепло, выделяемое при горении летучих, способствует повышению температуры и дальнейшему развитию процесса горения. Горение углерода начинается уже после завершения выхода летучих. Процесс горения самого углерода продолжителен и он определяет время протекания всего процесса.
При сжигании угольной пыли в связи с огромной суммарной поверхностью угольных частиц основная масса летучих не успевает выделиться до момента воспламенения частиц, поэтому летучие сгорают вместе с углеродом.
3. Расчеты горения топлива.
При сжигании топлива в промышленных печах в качестве окислителя используют кислород, содержащийся в воздухе или в обогащенном кислородом дутье. В результате горения образуются продукты сгорания и развивается определенная температура.
3.1. Определение расхода воздуха.
Расход воздуха можно определять в объемных единицах и в единицах массы. В объемных единицах рассчитывают газообразное топливо, в единицах массы – жидкое и твердое топливо.
В качестве примера рассмотрим горение топлива, состоящего из 98 % СН4 и 2 % N2.
СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2О,
из которой следует, что для сжигания 1 кмоль СН4 требуется 2 кмоль О2. но объем 1 кмоль любого газа одинаков для всех газов и при нормальных условиях равен 22,4 м3, следовательно для сжигания 1 м3 СН4 требуется 2 м3 О2. В рассматриваемом примере в 1 м3 газа содержится 0,98 м3 СН4, для сжигания которого потребуется 0,98 2 = 1,96 м3 О2. В сухом воздухе доля кислорода по объему составляет 21 %, а остальные 79 % приходится практически полностью на азот. Значит, количество азота в воздухе в 79/21=3,76 раза больше количества кислорода. Поэтому расход воздуха для сжигания 1 м3 газа указанного состава будет равен 1,96 + 1,96 3,76=1,96 + 7,38 = 9,34 м3.
При горении топлива полученные на основе химических реакций количества кислорода и воздуха представляют те наименьшие количества, которые необходимы для полного окисления единицы горючего вещества. Такое наименьшее необходимое количество воздуха называют теоретическим. на прктике для более полного сжигания требуется подавать количество воздуха, несколько превышающее теоретическое. Величина показывающая отношение действительного расхода воздуха к теоретическому расходу называют коэффициентом расхода воздуха.
(2)
Изменение величины коэффициента расхода воздуха влечет за собой изменение количества воздуха, подаваемого для горения. Так, для рассмотренного выше примера горения газа при n=1,2 потребуется 1,96 1,2 = 2,35 м3 О2 и 2,35 + 2,35 3,76 = 11,19 м3 воздуха.
3.2. Определение количества и состава продуктов сгорания.
Рассмотрим пример горения газа (98 % СН4 и 2 % N2) сначала при коэффициенте расхода воздуха, равным 1. Определим последовательно количества каждой составляющей продуктов сгорания. При сжигании 1 м3 СН4 образуется 1 м3 СО2 и 2 м3 Н2О, а при сжигании 0,98 м3 СН4 образуется 0,98 м3 СО2 и 1,96 м3 Н2О.
Кроме того, вносится азота:
с воздухом . . . . . 1,96 3,76 = 7,38
с газом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,02
––––––––––––––––––––––
Итого . . . . . 7,40
Полное количество продуктов сгорания составит 0,98 + 1,96 + 7,40 = 10,34 м3.
Состав продуктов сгорания будет следующий, %:
СО2. . . . . . . . 100 = 9,45
Н2О. . . . . . . . 100 = 18,9
N2. . . . . . . . . 100 = 71,65
–––––––––––––––––––––––––––––––
Итого. . . . . . . . . . . . . 100
При сжигании газа с коэффициентом расхода воздуха, большем единицы, количество и состав продуктов сгорания изменяются. Например, при n = 1,2 в продуктах сгорания рассматриваемого состава будет 0,98 м3 СО2; 1,96 м3 Н2О; 1,96 1,2 – 1,96 = 0,39 м3 О2 и 1,96 1,2 3,76 + 0,02 = 8,86 м3 N2.
Полное количество продуктов сгорания составит 0,98 + 1,96 + 0,39 + 8,86 = 12,19 м3.
Состав продуктов сгорания будет следующий, %:
СО2. . . . . . . . 100 = 8,05
Н2О. . . . . . . . 100 = 16,1
О2. . . . . . . . . . 100 = 3,2
N2. . . . . . . . . 100 = 72,65
–––––––––––––––––––––––––––––––
Итого. . . . . . . . . . . . . 100
При расчетах горения необходимо составлять материальный баланс, определяя массы исходных веществ и образующихся продуктов сгорания. Для рассмотренного выше примера горения в воздухе газа ( 98 % СН4 и 2 % N2) при n = 1 материальный баланс будет выглядеть следующим образом:
Поступило, кг: Получено, кг:
СН4. . . . .0,98 16 / 22,4 = 0,7 СО2. . . . . . 0,98 44 / 22,4 = 1,925
О2. . . .. . .1,96 32 / 22,4 = 2,8 Н2О. . . . . .1,96 18 / 22,4 = 1,575
N2. . (7,38 + 0,02) 28 / 22,4 = 9,25 N2. . . . . . . . 7,4 28 / 22,4 = 9,25
–––––––––––––––––––––––––––––– ––––––––––––––––––––––––––––––
Итого. . . . . . . . . . 12,75 Итого . . . . . . . . . . . . 12,75
При составлении материального баланса погрешность не должна превышать 5 %.
3.3. Определение температуры горения.
Под температурой горения понимают ту температуру,которую приобретают продукты сгорания в результате сообщения им тепла, выделенного при сжигании. Различают теоретическую и калориметрическую температуры горения.
Теоретическую температуру горения tт определяют с учетом процессов диссоциации, протекающих при образовании продуктов сгорания:
tт = , (3)
где - теплота сгорания топлива, кДж/м3 или кДж/кг;
qдисс – тепло, израсходованноеина процессы диссоциации, кДж/м3 или кДж/кг;
Vпр – объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы топлива,
с – объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м3 град) или кДж/(кг град).
Калориметрическую температуру tк определяют из условия полного сгорания топлива и использования всего выделившегося при горении тепла только на повышение температуры продуктов сгорания при адиабатных условиях (отсутствие теплообмена с внешней средой) и n = 1.
tк = (4)
При подогретом воздухе (или топливе) калориметрическую температуру определяют по выражению
tк = , (5)
где Qф – физическое тепло подогретых воздуха и топлива.
Газообразные продукты сгорания любого топлива представляют собой смесь различных газообразных составляющих. Каждой из этих составляющих при той или иной температуре присуща определенная величина теплоемкости. Это дает возможность определить теплоемкость теплоемкость продуктов сгорания в целом для соответствующей температуры. Например, теплоемкость продуктов сгорания, состоящих из 9,45 % СО2, 18,9 % Н2О и 71,65 % N2 при температуре 1500 С может быть определена следующим образом.
Объемные теплоемкости при этой температуре составят (см. приложение 1)
для СО2 2,3636 кДж/(м3 град),
для Н2О 1,8389 кДж/(м3 град),
для N2 1.447 кДж/(м3 град).
В 1 м3продуктов сгорания содержится 0,0945 м3 СО2, 0,189 м3 Н2О, 0,7165 м3 N2.
Следовательно, теплоемкость 1 м3 продуктов сгорания будет равна:
СО2. . . . . .2,3636 0,0945 = 0,223
Н2О . . . . . . 1,8389 0,189 = 0,348
N2 . . . . . . . .1,447 0,7165 = 1,035
–––––––––––––––––––––––––––––
Итого . . . . . .. . . . . . 1,606
Кроме теплоемкостей пользуются также величинами энтальпий. Энтальпия представляет собой произведение теплоемкости газа при постоянном давлении на температуру:
i = срt кДж/м3.
Например, энтальпия СО2при температуре 1500 С равна
i (СО2) = 2,3636 1500 = 3545,34 кДж/м3.
Величины энтальпии для различных газов приведены в приложении 3.
3. 4. Основные формулы для расчета горения топлива.
Сведем все формулы, необходимые для расчета горения топлива, в таблицу.
Таблица 3
Основные формулы для расчета горения топлива
Искомый параметр | Жидкое и твердое топливо | Газообразное топливо |
Пересчет на рабочий состав | ХР=ХО ![]() ![]() ![]() | ХВЛ=ХСУХ ![]() ![]() |
Состав смеси | ХСМ=Ха+Х(1-а), где а= ![]() | |
Низшая теплота сгорания | ![]() | ![]() |
Расход кислорода на горение при n=1 | V(О2)=0,01(1,867СР+5,6НР+ +0,7(SР-ОР)) | V(О2)=0,01(0,5(СО+Н2+3Н2S)+(n+m/4)СnНm) |
Расход сухого воздуха | VВ=n(1+k)V(О2), где k=79/21=3,76;n – коэффициент расхода воздуха | |
Объемы компонентов продуктов сгорания | V(RО2)=0,01(1,867СР+0,7SР) RО2=СО2+SО2 V(Н2О)=0,01(11,2НР+ +1,242WР) V(N2)=0,008NР+nkV(О2) V(О2)'=(n-1)V(О2) | V(RО2)=0,01(СО2+SО2+СО+ +Н2S+nСnНm) V(Н2О)=0,01(Н2О+Н2+ Н2S+ +0,5mСnНm) V(N2)=0,01N2+nkV(О2) V(О2)'=(n-1)V(О2) |
Объем продуктов сгорания | VПС= V(RО2)+ V(Н2О)+ V(N2)+ V(О2)' | |
Калориметрическая температура горения | tк= tк'+ ![]() | |
Энтальпия продуктов сгорания | Истинная
![]() ![]() | |
Действительная температура продуктов сгорания | tД=пирtК, где пир- пирометрический коэффициент для топочных камер пир=0,95 для мартеновских печей пир=0,85 – 0,9 для садочных печей пир=0,8 – 0,85 для проходных и протяжных печей пир=0,7 – 0,75 |
3.5. Примеры расчетов горения топлива.
Для расчета горения топлива можно использовать два метода :
-табличный;
-расчетный.
В рассмотренных ниже примерах будем использовать оба метода.
Пример 1.
Определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания и калориметрическую температуру горения мазута. Его состав следующий, %: CР=85,6, НР=10,5, NР=0,7, ОР=0,5, SР=0,7, АР=0, WР=2. Провести расчет при величине коэффициента избытка воздуха n=1,15. Температура подогрева воздуха tВ=300 С.
Решение:
Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания определим, пользуясь табличным методом. Для удобства расчет горения жидкого топлива следует вести на 100 кг горючего.
В основу расчета положены реакции полного сгорания отдельных элементов:
С + О2 = СО2
Н2 + ½ О2 = Н2О
S + О2 = SО2
Таблица 4
Форма таблицы для записи результатов определения расхода воздуха, количества и состава продуктов сгорания
Участвуют в горении | Газообразные продукты, образующие при горении | |||||||||||||||
Топливо | Воздух | СО2, кмоль | Н2О, кмоль | SО2, кмоль | О2, кмоль | N2, кмоль | всего | |||||||||
Составляющие | Содержание | Масса, кг | Молекулярная масса | Количество, кмоль | О2, кмоль | N2, кмоль | всего | |||||||||
кмоль | м3 | |||||||||||||||
кмоль | м3 | |||||||||||||||
С Н S О N W | 85,6 10,5 0,7 0,5 0,7 2,0 | 85,6 10,5 0,7 0,5 0,7 2,0 | 7,13 5,25 0,022 0,016 0,025 0,111 | 7,13 2,625 0,022 -0,016 - - | 9,7613,76 | 9,76136,7 | 46,46222,4 | 7,13 - - - - - | - 5,25 - - - 0,111 | - - 0,022 - - - | - - - - - - | 36,7 (из воздуха) 0,025 - | 49,23822,4 | |||
Суммарное значение: при n=1 (%) при n=1,15 (%) | 9,761 (21) 11,22 (21) | 36,7 (79) 42,205 (79) | 46,462 (100) 53,43 (100) | 1040,76 1196,87 | 7,13 (14,48) 7,13 (12,68) | 5,361 (10,89) 5,361 (9,54) | 0,022 (0,045) 0,022 (0,039) | - 1,464 (26,09) | 36,725 (74,58) 42,234 (75,14) | 49,238 (100) 56,211 (100) | 1102,9 1259,1 |
Для определения калориметрической температуры необходимо знать теплоту сгорания топлива. Для жидкого топлива ее можно определить по формуле Д. И. Менделеева (см. табл. 3).
=339 85,6 + 1030 10,5 – 109 (0,5 – 0,7) – 25 2 = 39805,2 кДж/кг
Определим энтальпию продуктов сгорания при условии, что воздух подогрет до 300 С:
I0= кДж/м3
Задаемся возможной температурой горения tК = 1800 С.
Для этой температуры энтальпия продуктов сгорания (см. приложение 3) будет равна:
СО2 + SО2 . . . . . . . . . (0,1268+0,00039) 4360,67=553,81
Н2О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,0954 3429,9=327,21
О2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,2609 2800,48=730,65
N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7514 2646,74=1988,76
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3600,43 кДж/м3
Поскольку I0<I1800 С, то действительная калориметрическая температура будет ниже 1800 С.
Примем tК = 1700 С, тогда энтальпия составит
СО2 + SО2 . . . . . . . . . (0,1268+0,00039) 4087,1=519,06
Н2О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,0954 3203,05=305,57
О2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,2609 2632,09=686,71
N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7514 2486,28=1868,19
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3380,05 кДж/м3
Поскольку I1800 С<I0, действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1700 – 1800 С. Калориметрическую температуру горения определяют интерполяцией:
tК=1700 + 1775 С.
Пример 2.
Для случая сжигания смешанного газа (смеси коксовального и природного газов) с теплотой сгорания 12 МДж/м3 определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при коэффициенте расхода (избытка) воздуха n=1,2. Температура подогрева, воздуха 400 С. Составить материальный баланс процесса горения.
Состав генераторного газа из тощих топлив (топливо А), %: СО2=6, СО=27, Н2=13, СН4=0,6, N2=53,4. Влажность топлива А WА=24 г/м3.
Состав природного Бугурусланского газа (топливо Б), %: СН4=77,8, С2Н6=4,4, С3Н8=1,7, С4Н10=0,8, СО2=0,2, Н2S=1, N2=14. Влажность топлива Б WБ=4,5 г/м3.
Решение:
1) Производим пересчет с сухой массы на влажную:
Расчёт для газа А:
5,83 + 26,22 + 12,62 + 51,85 + 0,58 + 2,89 = 99,99 100
Расчёт для газа Б:
0,20 + 77,38 + 1,69 + 0,80 + 13,92 + 0,99 + 4,38 + 0,56 = 99,92 100
2) Определим теплоту сгорания каждого газа:
Qрн = 127 СО + 108 Н2 + 358 СН4 + 590 С2Н4 + 555 С2Н2 + 635 С2Н6 + 913 С3Н8 +1185 С4Н10 + 1465 С5Н12 + 234 Н2S
Qрн (А) = 127 26, 22 + 108 12, 62 + 358 0, 58 = 4900, 54 кДж/м3
Qрн (Б) = 358 77,38 + 635 4,38 + 913 1,69 + 1185 0,8 + 234 0,99 = =33205,97 кДж/м3
3) Определим состав смеси 2-х топлив:
Для этого прежде всего определим долю топлива А в смеси, которую обозначим через а:
Посчитаем состав смеси:
ХСМ=ХАа+ХБ(1-а)
СО2см = СО2А а + СО2Б (1-а) = 5,83 0,75 + 0,20 0,25 = 4,42 %
СОсм = 26,22 0,75 = 19,67 %
Н2см = 12,62 0,75 = 9,47 %
СН4см =0,58 0,75 + 77,38 0,25 = 19,78 %
N2cм = 51, 85 0, 75 + 13, 92 0, 25 = 42, 38 %
С3Н8см =1,69 0,25 = 0,42 %
С4Н10см =0,8 0,25 = 0,20 %
С2Н6см = 4,43 0,25 = 1,1 %
Н2Sсм = 0.99 0,25 = 0,25 %
Н2Осм = 2,89 0,75 + 0,56 0,25 = 2,31 %
4,42 + 19,67 + 9,47 + 19,78 + 42,38 + 0,42 + 0,20 + 0,25 + 1,1 + 2,31 = 99,99
4) определить расход воздуха, количество и состав продуктов сгорания:
Определим расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания в табличной форме. Расчет ведём на 100 м3 газа.
Участвуют в горении | Образуется продуктов сгорания, м3 | |||||||||
Топливо, м3 | Воздух, м3 | |||||||||
составляющая | содержание, м3 | О2 | N2 | всего | СО2 | Н2О | О2 | N2 | SO2 | всего |
СО2 СО Н2 СН4 N2 C3Н8 C4Н10 Н2S C2Н6 Н2О | 4,42 19,67 9,47 19,78 42,38 0,42 0,20 0,25 1,10 2,31 | -- 9,84 4,73 39,56 -- 2,10 1,30 0,38 3,85 - | 61,75 3,76 = 231,20 | 61,753+231,20=294,0 | 4,42 19,67 -- 19,78 -- 1,26 0,80 -- 2,2 -- | -- -- 9,47 39,56 -- 1,68 1,00 0,25 3,30 2,31 | -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- | 42,38+231,20= 273,58 | -- -- -- -- -- -- -- 0.25 -- -- | |
n = 1 | 61.75 | 231.2 | 292.95 | 48.13 | 57.56 | -- | 273.6 | 0.25 | 379.52 | |
n = 1,2 | 74.10 (21.0) | 277.4 (79.0) | 351.54 (100) | 48.13 (10.6) | 57.56 (12.64) | 21.18 (4.65) | 328.3 (72.1) | 0.25 (0.06) | 455.42 (100) |
5) Для проверки правильности расчета составим материальный баланс. Расчет является верным, если погрешность не превышает 5%.
Поступило, кг: Получено, кг:
В том числе:
Топливо
СО2 =4,42 1,96 = 8,66 СО2 = 48.13 1.96 = 94.33
СО = 19,67 1,25 = 24,59 Н2О = 57.56 0.8 = 46.05
Н2 = 9,47 0,09 = 0,85 О2 = 21.18 1.43 = 30.29
СН4 = 19,78 0,71 = 14,04 N2 = 328.3 1.25 = 410.38
N2 = 42, 38 1, 25 = 52, 98 SO2 = 0.25 2.86 = 0.72
C3Н8 = 0, 42 1, 96 = 0, 82 ––––––––––––––––––––––
C4Н10 = 0, 2 2, 59 = 0, 52 Итого 581,76
Н2S = 0,25 1,52 = 0,38
C2Н6 = 1, 1 1, 34 = 1, 47
Н2О = 2,31 0,8 = 1,85
Воздух
О2 = 74,1 1,43 = 105,96
N2 = 277, 44 1, 25 = 346, 80
–––––––––––––––––––––––––
Итого 558,90
Погрешность
Из таблицы следует, что для сжигания 100 м3 необходимо затратить 351,54 м3 воздуха, при данной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1,2. При этом образуется продуктов сгорания 455,42 м3.
6) Определим калориметрическую температуру горения:
Для этого необходимо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1м3 продуктов сгорания:
I = Io + Iв + Iг
где Io, Iв, Iг – соответственно количества тепла, получаемые от сжигания топлива и вносимые подогретым воздухом и газом.
Таким образом, количества тепла, получаемое от сжигания топлива в расчёте на единицу объёма продуктов сгорания, будет равно
Количества тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено следующим образом:
где св – теплоемкость воздуха при 400оС
Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит
Задаемся возможной температурой горения tК = 1800 С.
Для этой температуры энтальпия продуктов сгорания (см. приложение 3) будет равна:
СО2 + SО2 . . . . . . . . . (0,106+0,0006) 4360,67=464,847
Н2О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1264 3429,9=433,539
О2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,0465 2800,48=130,222
N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,721 2646,74=1908,3
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2936,908 кДж/м3
Поскольку I0>I1800 С, то действительная калориметрическая температура будет выше 1800 С.
Примем tК = 1900 С, тогда энтальпия составит
СО2 + SО2 . . . . . . . . . (0,106+0,0006) 4634,76 = 489,89
Н2О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1264 3657,85 = 462,35
О2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,0465 2971,30 = 138,17
N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,721 2808,22 = 2024,33
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Итого . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3114,74 кДж/м3
Поскольку I1900 С>I0, действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1800 – 1900 С. Калориметрическую температуру горения определяют интерполяцией:
tК=1800 + 1867 С.
Министерство образования Российской Федерации
Федеральное агенство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московский Государственный институт стали и сплавов
(Технологический университет)
Новотроицкий филиал
Кафедра МТ
Расчет горения топлива
Учебно-методическое пособие для выполнения домашних, контрольных и курсовых работ по дисциплине " Теплотехника" для специальностей 150101, 150106,150404, 080502 всех форм обучения
Новотроицк
Составитель: Комендантова О. Н.
Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры металлургических технологий от "___" ______________ 2006 г.
Зав. каф. МТ ______________ Братковский Е.В.
Приложение 1
Варианты заданий
№ состава топлива | Состав сухого топлива в % объемн. | |||||||||||
СО2 | О2 | СО | Н2 | СН4 | С2Н4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 | Н2S | N2 | |
6,3 | 0,2 | 0,5 | - | - | - | - | - | - | ||||
0,3 | 0,7 | - | - | - | - | - | ||||||
- | - | - | - | - | - | - | - | |||||
0,4 | - | - | - | 96,3 | 0,3 | - | - | - | - | - | ||
0,2 | 0,8 | - | - | - | - | - | ||||||
- | - | - | - | - | ||||||||
20,3 | 0,2 | 0,5 | - | - | - | - | - | |||||
- | - | - | - | - | - | |||||||
- | - | - | - | - | - | |||||||
- | - | - | - | - | - | - | - | - | - | |||
2,3 | 0,8 | 6,8 | 22,3 | 2,7 | - | - | - | - | 0,4 | 10,1 | ||
0,2 | 2,5 | 0,3 | - | - | - | - | - | |||||
- | 0,6 | - | - | - | - | - | - | 53,4 | ||||
- | 1,8 | - | - | - | - | - | - | 51,2 | ||||
- | 32,5 | 0,5 | - | - | - | - | - | - | - | |||
10,5 | - | 2,4 | 0,3 | - | - | - | - | - | 0,3 | 58,5 | ||
13,1 | - | 13,1 | - | - | - | - | - | - | - | - | 73,8 | |
14,5 | 0,2 | 8,8 | 2,3 | 0,2 | - | - | - | - | - | - | ||
4,8 | 1,4 | 4,9 | 11,6 | - | - | - | - | - | - | 75,3 | ||
5,5 | 0,2 | 27,5 | 13,5 | 0,5 | - | - | - | - | - | - | 52,6 | |
0,2 | 25,5 | 15,5 | 2,6 | 0,4 | - | - | - | - | 0,2 | 48,7 | ||
2,1 | 0,4 | 8,7 | 50,5 | 28,2 | 5,6 | - | - | - | - | 0,1 | 4,5 | |
№ состава топлива | Состав сухого топлива в % объемн. | |||||||||||
СО2 | О2 | СО | Н2 | СН4 | С2Н4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 | Н2S | N2 | |
2,1 | 0,4 | 8,7 | 50,5 | 28,2 | - | - | 5,6 | - | - | - | 4,5 | |
- | - | - | - | - | ||||||||
- | - | 2,0 | - | - | - | |||||||
2,9 | 0,5 | 26,7 | 2,4 | - | - | - | - | - | 2,5 | |||
2,9 | 0,5 | 26,7 | - | - | 2,4 | - | - | - | 2,5 | |||
- | - | - | 1,4 | 14,3 | 6,3 | 3,3 | 0,7 | |||||
0,1 | - | - | - | 39,5 | 1,4 | 18,5 | 7,7 | 2,8 | - | |||
1,5 | - | - | - | 57,5 | - | - | ||||||
0,2 | - | - | - | 42,7 | - | 19,5 | 9,5 | 2,9 | - | 5,2 | ||
0,1 | - | - | - | - | 19,5 | 7,5 | 3,8 | - | ||||
- | - | - | 23,7 | - | 2,8 | 1,5 | ||||||
0,4 | - | - | - | 91,4 | 1,4 | 1,2 | 1,7 | 2,1 | - | - | 1,8 | |
- | - | - | - | 93,2 | 0,3 | 0,4 | 0,6 | 0,6 | - | - | 4,9 | |
- | - | - | - | 92,2 | - | 0,8 | - | - | - | |||
0,2 | - | - | - | 77,8 | - | 4,4 | 1,7 | 0,8 | - | |||
7,3 | - | - | - | 86,5 | - | 0,9 | 0,1 | - | - | 2,2 | ||
0,2 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 1,8 | ||
0,3 | - | - | - | - | 1,9 | 0,2 | 0,3 | - | - | 9,3 | ||
0,2 | - | - | - | 97,8 | - | 0,4 | - | 0,3 | - | - | 1,3 | |
0,2 | - | - | - | 83,5 | - | 4,3 | 0,8 | 1,6 | - | - | 9,6 | |
0,1 | - | - | - | 96,8 | 0,5 | 0,2 | 0,1 | - | - | 1,3 | ||
- | - | - | - | 89,9 | - | 3,6 | 0,9 | 0,4 | - | - | 5,2 | |
0,1 | - | - | - | 92,6 | - | 4,2 | 0,9 | 0,8 | - | - | 1,4 |
Продолжение приложения 1
Варианты заданий