11.2. Расчет горения природного газа и расхода воздуха

Расчет ведем на 100 м³ природного газа. Для расчета горения природного газа составим таблицу 39.

Таблица 39 Состав природного газа, кг

Соединения	Всего		H	C	O	N	S
	м3	кг
CH4 C2H6 CO2 H2S N2	88,5 6,17 0,7 0,17 4,46	63,2 8,25 1,38 0,26 5,56	15,8 1,65 – 0,015 –	47,4 6,6 0,38 – –	– – 1,0 – –	– – – – 5,56	– – – 0,245 –
Всего	100	78,65	17,465	54,38	1,0	5,56	0,245

Определим расход кислорода при α=1,0.

На сжигание составляющих газа потребуется кислорода, кг:

С + О₂ = СО₂ 54,0•32/12=144,0

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О 17,465•32/4=139,72

S + O₂ = SO₂ 0,245•32/32=0,245

283,965 кг, или 198,78 м³

Теоретическая потребность воздуха, обогащенного до 25% О₂, составит 198,78/0,25=795,10 м³. В нем содержится азота 795,10–198,78=596,32 м³, или 745,4 кг.

Примем, что 1 м³ воздуха содержит 0,0117 м³ влаги. С воздухом поступит влаги 795,10•0,0117=9,30 м³, или 7,46 кг.

Теоретический состав газов будет:

	кг		м3	%
CO2 H2O SO2 N2	144,0+1,0+54,0+0,38= 139,72+17,465+7,46= 0,245+0,245= 745,4+5,56=	199,38 164,645 0,49 750,96	101,5 204,89 0,17 600,76	11,2 22,5 0,02 66,28
Итого		1115,475	907,32	100

Теплота сгорания газа при α=1 равна 8659,6 ккал/м³.

Определим количество кислорода, состав газов и теплоту сгорания газа при α=0,8: поступит кислорода 283,965•0,8=227,17 кг, или 159,02 м³, с ним азота 159,02/0,25•0,75=477,06 м³, или 596,3 кг. Всего поступит воздуха 159,02+477,06=636,08 м³. С воздухом поступит влаги 636,08•0,0117=7,44 м³=5,57 кг.

Сжигание природного газа при недостатке кислорода и высоких температурах по данным И.В. Лаврова, характеризуется образованием СО, Н₂ и Н₂О и СО₂, т.е. протекают реакции:

СН₄ + 1/2О₂ = СО + 2Н₂ + 8520 ккал; (1)

С₂Н₆ + 2О₂ = 2СО + Н₂ + 2Н₂О + 147860 ккал; (2)

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 115600 ккал; (3)

2СО + О₂ = 2СО₂ + 135280 ккал. (4)

Согласно исследованиям Уральского политехнического института им. С.М. Кирова, при сжигании природного газа при высоких температурах (свыше 900⁰С) и коэффициенте избытка воздуха α=0,8 содержание водорода в отходящих газах не превышает 1% вследствие его высокой скорости сгорания. На основании этих данных определим состав и количество продуктов горения газа.

По реакции (1) потребуется кислорода 63,2•16/16=63,2 кг.

Образуется СО 63,2•28/16=110,6 кг; Н₂ 63,2•4/16=15,8 кг.

По реакции (2) потребуется кислорода 8,25•64/30=17,6 кг.

Образуется СО 8,25•56/30=15,4 кг; Н₂ 8,25•2/30=0,55 кг; Н₂О 8,25•36/30=9,9 кг.

По реакции (3) прореагирует 95% Н₂, образующегося при сгорании метана и этана: (15,8+0,55)•0,95=15,53 кг. Израсходуется кислорода 15,53•32/4=124,24 кг. Образуется Н₂О 15,53•36/4=139,77 кг.

Останется свободного кислорода 227,17–63,2–17,6–124,24=22,13 кг. С этим кислородом прореагирует СО 22,13•56/32=38,73 кг. Образуется СО₂ 38,37•88/56=60,86 кг.

По данным расчетов определим объем и состав отходящих газов при α=0,8:

	кг		м3	% (объемн)
CO CO2 H2O H2 S N2	110,6+15,4–38,73= 60,865+1,38= 9,9+139,77+5,57= 596,3+5,56=	87,27 62,245 155,24 0,82 0,245 601,86	69,8 31,7 193,2 9,2 0,17 481,5	8,9 4,0 24,6 1,2 0,02 61,28
Итого		907,680	785,57	100

Выход отходящих газов на 1,0 м³ природного газа будет равен 785,57/100=7,86 м³.

Определим энтальпию газов. Количество тепла, выделяющееся по реакциям (1) – (4):

(1) (2) (3) (4)	63,2:16•8520=33654 8,25:30•147860=40661 15,53:2•57800=448817 38,73:28•67640=93561
Всего	616693

Энтальпия 1 м³ газов 616693/785,57=785 ккал.

В действительности с учетом потерь тепла через кладку и на испарение влаги воздуха, а также реакций диссоциации энтальпия газов будет несколько ниже, но поскольку эти потери невелики, то в расчете они не учитываются. Определим температуру газов, вдуваемых в ванну, методом подбора по найденному выше составу, ккал/м³:

	t=21000С		t=20000С
CO CO2 H2O H2 S N2	0,089•758,1=67,47 0,04•1224=48,96 0,246•985=242,31 0,012•709=8,51 0,0002•289=0,06 0,6128•750,6=459,97	CO CO2 H2O H2 S N2	0,089•718,4=63,94 0,04•1159=46,36 0,246•929=228,53 0,012•672=8,06 0,0002•275,1=0,05 0,6128•712,2=436,44
Итого	827,28 ккал/м3	Итого	783,38 ккал/м3

Находим температуру, при которой газы будут иметь энтальпию, равную 785 ккал:

827,28–783,38/100=0,439 ккал/⁰С;

(785–783,38)/0,439=4⁰С; t_r=2004⁰С.

Для определения расхода газа, необходимого для переработки 100 кг шлаков, составим уравнение теплового баланса.

Приход тепла

1. С газами 785•7,86X ккал.

2. Тепло, вносимое жидким шлаком при температуре 1150⁰С:

100•1150•0,29=33350 ккал.

3. С твердым пиритом 5•25•0,13=16,25 ккал.

Всего приход тепла составит 33350+16,25+6170,1Х.

Расход тепла

1. С жидким шлаком при 1300⁰С: 87,9•1300•0,31=35423,7 ккал.

2. С жидким штейном при 1200⁰С: 5,192•1200•0,21=1308,4 ккал.

3. Тепло, уносимое возгонами при 1300⁰С: 11,1•1300•0,20=2886,0 ккал.

4. Расход тепла на эндотермические реакции: восстановление ZnO до Zn по реакции ZnO + СО = Zn + СО₂ – 15534 ккал; 6,25/65,4•15534=1484,5 ккал; восстановление РbО до Рb по реакции РbО + СО = Рb + СО₂ – 4764 ккал; 1,11•207,2•4764=25,5 ккал.

Разложение пирита: FeS₂ → FeS + S – 19800 ккал; 5/119,85•19800=826 ккал.

С парами серы уйдет 0,808•1300•0,403=423,3 ккал.

Всего расход тепла на эндотермические реакции составит 2759,3 ккал.

5. Тепло, уносимое газами при 1300⁰С. На реакции восстановления ZnO и РbО израсходуется СО, кг:

ZnO РbО	6,25•28/65,4=2,68 1,11•28/207,2=0,15
Всего	2,83 кг, или 2,26 м3

Таким образом, количество СО₂ составит 2,83•44/28=4,45 кг, или 2,26 м³.

Определим тепло, уносимое газами, с учетом реакций восстановления, ккал:

СО СО2 Н2О Н2 S N2	(0,089•7,86Х–2,26)•460,2=321,9Х–1040 (0,04•7,86Х+2,26)•714,7=224,7Х+1615,2 0,246•7,86Х•555,7=1074,5Х 0,012•7,86Х•420,0=39,6Х 0,0002•7,86Х•177,5=0,ЗХ 0,6128•7,86Х•444,9=2142,9X
Итого	3803,9Х+575,2 ккал

6. Потери тепла с охлаждающей водой на основании данных практики примем равными 15% от прихода тепла: (33666,75+6170,1Х)•0,15=5004,9+925,5Х ккал. Всего расход тепла составит:

35423,7+1308,4+2886,0+2759,3+3803,9Х+575,2+5004,9+925,5Х=47957,5+4729,4Х.

Решая уравнение

33666,25+6170,1Х=47957,5+4729,4Х, находим X=10,13 м³

Определим состав газов на выходе из ванны:

	м3	% (объемн)
СО СО2 Н2О Н2 S N2	7,08–2,26=4,82 3,18+2,26=5,44 19,59 0,964 0,17 48,79	6,1 6,8 24,6 1,2 0,02 61,28

Определим энтальпию газов, выходящих из ванны при 1300⁰С (таблица 25), ккал:

СО СО2 Н2О Н2 S N2	4,82•460,2=2220,2 5,44•714,7=3887,9 19,59•555,7=10880,6 0,964•420,0=403,2 0,17•177,5=30,2 48,79•444,9=21706,7
Всего	39128,8 ккал

В среднем энтальпия 1 м³ газа равна 491,1 ккал.

По данным расчетов составим тепловой баланс процесса на 100 кг шлаков (таблица 40).

ТАБЛИЦА 40 Тепловой баланс шлаковозгоночного процесса на 100 кг шлаков

Приход тепла			Расход тепла
Статьи баланса	ккал	%	Статьи баланса	ккал	%
Шлак Пирит Топочные газы	33350 16,25 62503	34,8 0,01 65,19	Шлак Штейн Возгоны Эндометрические реакции Отходящие газы Охлаждающая вода	35423,7 1308,4 2886,0 2759,3 39128,8 14380,2	36,9 1,4 3,0 2,9 40,8 15,0
Итого	95869,25	100	Итого	95886,4	100

Примечание. Невязка 0,01%.

Определим количество кислорода, необходимого для дожигания газа, выходящего из ванны печи.

В газе содержится: 4,82 м³ СО; 0,964 м³ Н₂; 0,17 м³ S; 6,25 кг Zn; 1,1 кг Рb и 0,57 м³ S от пирита.

Расход кислорода на дожигание составит, кг:

СО Н2 Zn Рb S	4,82/2=2,41 м3, или 3,44 кг 0,964/2=0,482 м3, или 0,7 кг 6,25•16/65,4=1,530 кг 1,1•16/207,2=0,08 кг 0,74•32/32=0,74 м3 или 1,05кг
Итого	6,80 кг

С кислородом, при условии, что дожигание осуществляется за счет подсоса воздуха, поступит азота 6,80/0,23•0,77=22,8 кг. Объем подсасываемого воздуха составит 6,80/32•22,4+22,8/28•22,4=22,8 м³≈23,0 м³. В нем 23,0•0,21=4,80 м³ кислорода и 23,0•0,79=18,20 м³ азота.

Примем, что дожигание происходит при α=1,1. Больший подсос нежелателен, так как перегружает пылеулавливающие устройства. Потребуется воздуха 23,0•1,1=25,30 м³. В нем 25,30•0,21=5,3 м³ кислорода; 25,30•0,79=20,00 м³ азота и 25,30•0,0117=0,29 м³ влаги. От дожигания газа образуется:

	кг	м3
СО2 Н2О SО2	4,82•28/22,4+3,44=9,46 0,964/22,4•2+0,7=0,79 0,245•2+0,808•2=2,1	4,82 0,98 0,74

Выделится тепла при образовании, ккал:

CO2 H2O SO2

4,82•67640/44=7409,6 0,98•57800/18=3142,2 2,1•70960/64=2328

ZnO РbO

6,25•83170/65,4=7948 1,1•52400/207,2=278,2

Газы на входе в котел-утилизатор после дожигания будут иметь следующий состав:

	м3	% (объемн)
СО2 Н2О SО2 N2 О2	5,44+4,82=10,26 19,59+0,98=20,57 0,16+0,58=0,740 48,79+20,0=68,79 2,0	10,0 20,10 0,70 67,25 1,95

В газах содержится тепла 39102,2+21111,1=60213,3 ккал, или на 1 м³ 60213,3/102,36=588,23 ккал.

С учетом потерь тепла в кессонах колошника, равных 15%, энтальпия газов будет составлять 588,2–0,15•588,2=500,0 ккал.

Методом подбора определим температуру газов, поступающих в котел-утилизатор (таблица 25). Задаем для этого две возможные температуры (1400 и 1300⁰С) и производим подсчет, ккал/м³:.

	t=14000С		t=13000С
СО2 Н2О SО2 N2 О2	0,10•777,8=77,78 0,2010•607,2=122,05 0,0070•775,3=5,43 0,6725•482,9=324,75 0,019•509,8=9,94	СО2 Н2О SО2 N2 О2	0,10•714,7=71,47 0,2010•555,7=111,70 0,0070•715,3=5,00 0,6725•444,9=299,20 0,019•470,5=9,20
Итого	539,95 ккал/м3	Итого	496,57 ккал/м3

Запас тепла в полученных нами газах (500,0 ккал) ближе к подсчету для 1300⁰С.

Корректируем полученные данные и находим температуру газов:

(500,0–491,64)/(539,99–496,57)•0,01+1300=1319⁰С.