1.2 Определение состава рабочей массы газообразного топлива при изменении его влагосодержания от 0 до 60 г/м3
Состав сухого газообразного топлива приведен в таблице 1.3.
Таблица 1.3
CH4,% |
C2H6,% |
C3H8,% |
C4H10,% |
C5H12,% |
N2,% |
CO2,% |
, кДж/кг |
91,9 |
2,1 |
1,3 |
0,4 |
0,1 |
3 |
1,2 |
36200 |
Пересчет элементарного химического состава рабочей массы газообразного топлива при изменении его влагосодержания производится по формулам
,
где H2O – процентное содержание водяного пара в топливе;
Xc - значение любого компонента в составе сухой массы топлива;
Xв - значение любого компонента во влажном топливе.
Содержание водяного пара в газе определяется по следующей формуле
,
где
-влагосодержание
топлива, г/м3.
Элементарный химический состав рабочей массы газообразного топлива при изменении его влажности приведен в таблице 1.4.
Таблица 1.4
Исходный состав |
Искомый состав рабочей массы газообразного топлива |
||||||
dг ,г/м3 |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
H2O |
0 |
1,23 |
2,43 |
3,60 |
4,74 |
5,86 |
6,95 |
CH4 |
91,9 |
90,77 |
89,67 |
88,59 |
87,54 |
86,52 |
85,52 |
C2H6 |
2,1 |
2,07 |
2,05 |
2,02 |
2 |
1,98 |
1,95 |
C3H8 |
1,3 |
1,28 |
1,27 |
1,25 |
1,24 |
1,22 |
1,21 |
C4H10 |
0,4 |
0,396 |
0,39 |
0,384 |
0,38 |
0,376 |
0,37 |
C5H12 |
0,1 |
0,099 |
0,098 |
0,096 |
0,095 |
0,094 |
0,093 |
N2 |
3 |
2,96 |
2,93 |
2,89 |
2,86 |
2,82 |
2,79 |
CO2 |
1,2 |
1,19 |
1,17 |
1,16 |
1,14 |
1,13 |
1,12 |
1.3 Определение высшей и низшей теплоты сгорания заданных видов топлив.
Теплота сгорания топлива это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании какой-либо единицы количества сжигаемого топлива (кг,м3). Очевидно, что это количество теплоты зависит от агрегатного состояния влаги, которая всегда присутствует в зоне горения. Поэтому различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива. Теплота сгорания твердого топлива , кДж/кг на практике вычисляется по эмпирическим формулам, основанных на знании его элементарного химического состава. Наибольшее распространение получила формула Д. И. Менделеева (1897 г)
.
Теплота сгорания газообразного топлива определяется суммированием теплоты сгорания отдельных компонентов:
где Qi и ri - теплота сгорания и объемная доля i-ого компонента соответственно.
Например,
=127CO+108H2+358CH4+636C2H6 +913C3H8+590CnHm+560C2H2+234H2S.
Таблица 1.3-Теплоты сгорания твердого топлива
|
0% |
50% |
100% |
150% |
200% |
W p , % |
0 |
8,25 |
16,5 |
24,75 |
33 |
, кДж/кг |
27843,18 |
25338,71 |
22900 |
20329,78 |
17825,31 |
Зависимость рабочей низшей теплоты сгорания твердого топлива от влажности (W р ,%) представлена на рисунке 1.1, по которому видно, что с увеличением влажности, идет уменьшение теплоты сгорания.
Рисунок 1.1- Зависимость рабочей низшей теплоты сгорания твердого топлива от влажности
Таблица 1.4 - Низшая теплота сгорания газообразного топлива
dг |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
H2O |
0 |
1,23 |
2,43 |
3,60 |
4,74 |
6,95 |
6,95 |
|
36200 |
35438,21 |
35007,92 |
34587,96 |
34177,96 |
33777,56 |
33386,43 |
Зависимость низшей теплоты сгорания газообразного топлива от влагосодержания, представлена на рисунке 1.2, по которому видно, что с увеличением температуры, идет уменьшение теплоты сгорания.
Рисунок 1.2 – Зависимость низшей теплоты сгорания газообразного топлива от влагосодержания
2 Материальный баланс процесса горения
Целью составления материального баланса процесса горения является определение количества окислителя, необходимого для полного сгорания единицы количества топлива (1 кг или 1 м3), и количества образующихся при этом продуктов сгорания.
2.1 Материальный баланс процесса горения для твердого топлива (при коэффициенте избытка воздуха α от 1,25 до 1,75)
2.1.1
Теоретический (стехиометрический)
расход окислителя
,
м3/
кг опре-
деляется по формуле
=0,0889(
+0,375
)+0,265
-0,0333
,
где Ср…..Ор - содержание соответствующего компонента в рабочей массе топлива, %.
2.1.2 Действительный расход окислителя Vв, м3/ кг
Как показывает практика сжигания топлива, если в зону горения подается окислитель в теоретическом количестве, то горение будет не полным, что приведет к определенным потерям теплоты (химический недожог). Для снижения химического недожога в зону горения подается действительное количество воздуха, равное:
=
α
,
м3
/кг,
где α - коэффициент избытка воздуха, т.е. отношение действительного количества воздуха к теоретическому. Величина этого коэффициента определяется соотношением:
α = / .
2.1.3 Объем продуктов сгорания
Объем продуктов сгорания в твердом топливе.
В состав продуктов сгорания входят следующие газы: СО2, H2O, N2 , SO2 и избыточный воздух.
Объем
трех атомных газов CO2
и SO2
(
,
м3/
кг)
=
+
=1,866/100(
+
0,375
).
Объем
азота N2
и водяного пара H2О
(
и
,
м3/кг).
Объем водяного пара и объем азота зависят отα, поэтому вначале определяют теоретическое значение (при α=1)
=0,79 +0,8 /100,
=0,111
+0,0124
+0,0161
.
Таким
образом, теоретический объем продуктов
сгорания(
,
м3/кг)
будет равен:
= + + ,
а действительный объем (Vг, м3/кг) учетом избыточного воздуха
=
+(α-1)
.
Масса
продуктов сгорания при сжигании 1 кг
твердого топлива (
,
кг/кг)
,
где аун- коэффициент уноса золы:
- для пылеугольных топок (аун= 0,95);
- для слоевых топок (аун=0,35).
Концентрация золы в продуктах сгорания (µ, кг/м3);
.
Таблица 2.1
α |
1,25 |
1,5 |
1,75 |
||
|
6,024 |
||||
|
7,53 |
9,036 |
10,54 |
||
|
1,11 |
||||
|
4,77 0,76 6,63 |
||||
|
|||||
|
|||||
|
8,14 |
9,64 |
11,15 |
||
µ(для пылеугольных топок) |
10,74 |
9,06 |
7,84 |
||
µ(для слоевых топок) |
3,96 |
3,34 |
2,89 |
||
Продолжение таблицы 2.1
G(для пылеугольных топок) |
10,83 |
12,797 |
14,76 |
G(для слоевых топок) |
10,77 |
12,742 |
14,71 |
2.2 Материальный баланс процесса горения для газообразного топлива (при коэффициенте избытка воздуха α от 1,05 до 1,15).
2.2.1 Теоретический (стехиометрический) расход окислителя , м3/м3определяется по формуле
=0,0476
[0,5CO+0,5H2+1,5H2S
-O2].
2.2.2 Действительный расход окислителя , м3/м3 вычисляется следующим образом
=α .
2.2.3 Объем продуктов сгорания
Объем трех атомных газов CO2 и SO2 ( ,м3 / м3)
=0,01(CO2+CO+H2S+
);
Объем азота N2 и водяного пара H2O
=0,79 + 0,01N2,
=0,01(H2+H2O+
+0,0124dг)+0,0161
.
Теоретический объем продуктов сгорания при α=1
= + + .
Действительный объем продуктов сгорания при α> 1
= +(α-1) , м3/ м3.
Масса продуктов сгорания при сжигании 1 м3 газообразного топлива G, кг/м3
=
+
+1,306α
,
где dг– влагосодержание топлива, г/м3;
– плотность сухого газа, кг/м3.
.
Таблица 2.2
α |
1,05 |
1,1 |
1,15 |
|
9,57 |
||
|
10,05 |
10,53 |
11,005 |
|
1,03 7,59 2,13 |
||
|
|||
|
|||
|
10,76 |
||
|
11,24 |
11,715 |
12,193 |
G |
14,03 |
14,654 |
15,28 |
3 Тепловой баланс процессов горения
Целью составления теплового баланса процесса горения является определение температуры горения топлива, т.е. температуры, которую имеют продукты сгорания на выходе из зоны горения. Величина этой температуры зависит от теплоты сгорания топлива, физической теплоты продуктов горения, коэффициента избытка воздуха, потерь теплоты от диссоциации и других потерь теплоты. В зависимости от этих факторов различают следующие названия температуры горения:
-калориметрическая (адиабатная);
-теоретическая;
-действительная.
3.1. Построение h-t - диаграммы продуктов сгорания для твердого топлива при изменении температуры t от 500 до 2500 °C
3.1.1 Определение калориметрической температуры (tk1) для твердого топлива при не подогретом воздухе (tв=20°С)
Температура горения, определяемая без учета потерь теплоты, называется калориметрической (адиабатной). Уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид
+
+
=
,
откуда
=
+
+
/
,
где Сг - объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м3K).
Калориметрическую температуру горения можно определить методом последовательных приближений или с помощью H-t - диаграммы продуктов сгорания. Величина энтальпии продуктов сгорания будет равна
=
+(α-1)
+
,
где - энтальпия теоретического объема продуктов сгорания;
(α-1) - энтальпия избыточного воздуха;
- энтальпия золовых частиц.
Значение этой энтальпии определяем по формулам
=
(
+
+
)t;
=
t,
,
где , , , – теоретические объемы соответствующих компонентов продуктов сгорания и воздуха;
, , , – изобарные объемные теплоемкости компонентов продуктов сгорания и воздуха (см. таблица 3.1);
– учитывается
только для твердого топлива, при условии
что
>
1,43, %кг/МДж.
Таблица 3.1 - Теплоемкости компонентов продуктов сгорания
Т,°С |
|
|
|
|
500 |
1,99 |
1,33 |
1,59 |
1,34 |
1000 |
2,23 |
1,4 |
1,75 |
1,42 |
1500 |
2,34 |
1,44 |
1,85 |
1,46 |
2000 |
2,42 |
1,48 |
1,96 |
1,5 |
2500 |
2,48 |
1,51 |
2,05 |
1,53 |
Таблица 3.2 - Энтальпия продуктов сгорания твердого топлива.
При t, °С |
500 |
1000 |
1500 |
2000 |
2500 |
, кДж/кг |
4873,41 |
10363,75 |
16283,23 |
22435,98 |
28738,85 |
, кДж/кг |
4036,18 |
8674,78 |
13463,98 |
18072,45 |
23042,38 |
, кДж/кг |
5882,46 |
12532,44 |
19649,23 |
26954,09 |
34499,45 |
В данном случае энтальпия золовых частиц не учитывается, т.к. не выполняется условие > 1,43.По значениям энтальпии продуктов сгорания при определенной температуре, строим H-t-диаграммы продуктов сгорания. По оси энтальпии ( ) откладываем значение низшей теплоты сгорания и определяем соответствующее значение калориметрической температуры (tk1) , когда воздух не подогрет (tв=20 °C)
tk1=1710 °С.
3.1.2 Определение калориметрической температуры горения (tk2), если воздух нагрет (t=500°C).
Определяем физическую теплоту компонентов горения, откладываем ее на ось энтальпиии определяем соответствующее значение калориметрической температуры (tк2, °С)
=α
,
кДж/кг,
= 5045,23 кДж/кг,
tк2=2060°С.
3.1.3 Определение теоретической температуры горения (tт, °С) при tв =500°С.
Если при определении температуры горения учитывать затраты теплоты на диссоциации, то она называется теоретической. Уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид
+
+
=
+
,
где
=
.
Процесс диссоциации одновременно изменяет состав продуктов сгорания. Однако, если температура в зоне горения ниже 2200°С, то можно считать, что процесс диссоциации не изменяет состава продуктов сгорания. В этом случае количество теплоты, затраченное на диссоциацию, определяется следующим образом
=
12640
+10800
,
где , - константы диссоциаций смотрите в таблицах 3.3 и 3.4.
= 2536,48 кДж/кг,
tт=1894°С.
Таблица 3.3 - Константа диссоциации углерода
T, °C |
Парциальное давление двуокиси углерода, кПа |
|||||||
4,9 |
9,8 |
14,7 |
19,6 |
29,4 |
39,2 |
49,0 |
98,1 |
|
1700 |
3,5 |
2,8 |
2,5 |
2,2 |
1,9 |
1,8 |
1,7 |
1,3 |
1900 |
9,5 |
7,6 |
6,7 |
6,1 |
5,3 |
4,9 |
4,5 |
3,6 |
2100 |
22,8 |
18,3 |
16,2 |
14,9 |
13,1 |
12,0 |
11,2 |
9 |
2300 |
42,5 |
35,9 |
32,4 |
30,0 |
26,9 |
24,8 |
23,2 |
19 |
2500 |
64,1 |
56,9 |
52,7 |
49,7 |
45,9 |
42,6 |
40,4 |
34 |
Таблица 3.4 - Константа диссоциации углекислого газа
T, °C |
Парциальное давление водяного пара, кПа |
|||||||
4,9 |
9,8 |
14,7 |
19,6 |
29,4 |
39,2 |
49,0 |
98,1 |
|
1700 |
1,41 |
1,1 |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
1900 |
3,8 |
3,0 |
2,6 |
2,4 |
2,1 |
1,9 |
1,7 |
1,4 |
2100 |
8,0 |
6,4 |
5,6 |
5,1 |
4,6 |
4,1 |
3,7 |
3,0 |
2300 |
15,4 |
12,9 |
11,4 |
10,4 |
9,1 |
8,4 |
7,7 |
6,2 |
2500 |
26,8 |
22,1 |
19,7 |
18,0 |
15,9 |
14,6 |
13,7 |
11 |
3.1.4 Определение температуры воздуха при tд=1600°С и ŋпир=0,7.
Температура горения, определяемая с учетом всех пяти факторов, называется действительной:
Расчет температуры горения по данной формуле затруднен отсутствием данных по определению Qдис и Qпот поэтому на практике tд определяют по формуле
,
,
где ŋпир– пирометрический коэффициент.
Определяем при заданной действительной калориметрическую температуру
tk3=2285°С.
Откладываем полученную температуру на графике и определяем соответствующее ей количество теплоты (Qk3):
Qk3=31554,15 кДж/кг,
.=
-
=8644,15
кДж/кг.
Температуру воздуха определяем по формуле
=α ,
=
,
где Св - изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг K). В первом приближении при tв=500 °C, теплоемкость Cв=1,34 кДж/(кг K).
Рассчитываем искомую температуру воздуха
=856,67°С.
Рассчитываем
погрешность
,
% по формуле
=41,63 %.
Так как погрешность >5 % необходимо второе приближение. Примем при tв=820 °C, Cв=1,388 кДж/(кг K), получим
=808,97°С.
Таким образом, погрешность равна
=1,36 %.
Таблица 3.5 - Температуры для твердого топлива
tк1 , °С при не подогретом воздухе (t=20°С) |
tк2 ,°С если воздух нагрет (t=500°C ) |
tт ,°С если воздух нагрет (t=500°C ) |
tв , °С при tд=1600°С и ŋпир=0,7 |
1710 |
2060 |
1894 |
808,97 |
Рисунок 3.1 - H-t-диаграмма продуктов сгорания для твердого топлива