Материальный баланс горения топлива

Материальный баланс необходим для проверки правильности расчетов, его составляют на 100 м³ газа или 100 кг мазута или твердого топлива (табл. 2).

Таблица 2

Материальный баланс процесса горения топлива.

Приход	кг	Расход	кг
а)Природный газ		Продукты горения
СН4= СН4вл ·СН4(0,717)*		СО2 =VСО2·100·СО2(1,977)
С2Н6= С2Н6вл ·С2Н6(1,356)		Н2О =VН2О·100·Н2О(0,804)
С3Н8= С3Н8вл·С3Н8(2,020)		N2 = VN2·100· N2 (1,251)
С4Н10= С4Н10вл·С4Н10(2,840)		О2 =VО2·100·О2(1,429)
С5Н12= С5Н12вл·С5Н12(3,218)		для твердого топлива и мазута
N2 = N2вл ·  N2 (1,251)		SO2 = VSО2·100· SО2 (2,852)
Н2О = Н2Овл·Н2О(0,804)		Зола
б) Твердое топливо, мазут	100,0	Невязка
Воздух
О2 = Lд·100·0,21· О2 (1,429)
N2 = Lд·100·0,79· N2 (1,251)
Н2О = Lд·100·0,0016·10· Н2О (0,804)
Итого		Итого
*В скобках указаны плотности газов в кг/м3.

Разность между суммой прихода и суммой расхода, называемую невязкой, вносят в расходную часть, независимо от её знака («+» или «–»). Величина невязки не должна превышать 1% от суммы приходных статей, т.е. невязка составляет

.

Рис. 1. i–t-диаграмма для низких температур

Рис. 2. i–t-диаграмма для высоких температур

Примеры расчета горения топлива Расчет горения природного газа

Природный газ Верхне-Омринского месторождения. Содержание влаги в газе W^р= 1,0 об.%.

Содержание компонентов сухого топлива, % по объему

СН4с	С2Н6с	С3Н8с	С4Н10с	С5Н12си высшие	СО2с	N2с	Сумма
85,0	3,90	1,40	0,41	0,23	0,10	8,70	99,74

Коэффициент избытка воздуха при сжигании газа в горелке частичного смешивания = 1,15. Влагосодержание атмосферного воздухаd= 10 г/кг сухого воздуха (в этом и других примерах).

Определяем состав рабочего топлива. Пользуясь формулой (0), находим содержание элементов в рабочем топливе:

СН₄^вл=% == 85,0·0,9926 = 84,37%;

С₂Н₆^вл= 3,90·0,9926 = 3,87%;

С₃Н₈^вл=1,40·0,9926 = 1,39%;

С₄Н₁₀^вл=0,41·0,9926 = 0,41%;

С₅Н₁₂^вл=0,23·0,9926 = 0,23%;

СО₂^вл=0,10·0,9926 = 0,099%0,10%;

N₂^вл=8,70·0,9926 = 8,64%;

Н₂О^вл=1,00%.

Результаты пересчета состава сводим в таблицу.

Состав влажного рабочего топлива, объемные %

СН4вл	С2Н6вл	С3Н8вл	С4Н10вл	С5Н12вл	СО2вл	N2вл	Н2Овл	Сумма
84,37	3,87	1,39	0,41	0,23	0,10	8,64	1,00	100,00

Рассчитываем теплоту сгорания природного газа по формуле (0):

= 358,2·84,38 + 637,5·3,87 + 912,5·1,39 + 1186,5·0,41 + 1460,8·0,23=

= 34773 кДж /нм³.

Тепловой эквивалент согласно формуле (0) составляет:

Э_т== 1,187.

Теоретически необходимое количество сухого воздуха находим по формуле (0):

L₀ = 0,0476·(2·84,37 + 3,5·3,87 + 5·1,39 + 6,5·0,41 + 8·0,23) = 9,22 нм³/нм³.

Определяем действительное количество атмосферного воздуха при = 1,15 по формуле (0):

L_д= 1,15 · 9,22= 10,60 нм³/ нм³.

Рассчитываем действительное количество атмосферного воздуха по формуле (0):

L_д= (1 + 0,016d)L_д= 1,016·10,60 = 10,77 нм³/ нм³.

Количество продуктов горения газа при = 1,15 по формулам (0) ‑ – (0):

V_СО2= 0,01 (0,10 + 84,37 + 2·3,87 + 3·1,39 + 4·0,41 + 5·0,23) =

= 0,991 нм³/нм³;

V_Н2О= 0,01 (2·84,37 + 3·3,87 + 4·1,39 + 5·0,41 + 6·0,23 + 0,99 +

+ 0,16·10·10,60) = 2,073 нм³/нм³;

V_N2= 0,79·10,60 + 0,01·8,64 = 8,463 нм³/нм³;

V_О2= 0,21 (1,15 – 1) 9,22 = 0,290 нм³/нм³.

Находим общий объем продуктов горения при = 1,15 по формуле (0):

V_= 0,991 + 2,073 + 8,464 + 0,290 = 11,81811,82 нм³/ нм³.

Процентный состав продуктов горения:

 _CO2= ·100% = 8,39%;_Н2O= ·100% = 17,54%;

 _N2= ·100% = 71,61%;_О2=·100% = 2,46%.

Всего 100,00 %.

Составляем материальный баланс процесса горения на 100 нм³природного газа при= 1,15.

Материальный баланс процесса горения природного газа

Приход	кг	Расход	кг
Природный газ	60,49	Продукты горения
СН4= 84,37·0,717	5,25	СО2= 0,991·1,977	196,02
С2Н6= 3,87·1,356	2,81	Н2О = 2,073·0,804	166,65
С3Н8= 1,39·2,020	1,16	N2= 8,463·1,251	1058,74
С4Н10= 0,41·2,840	0,73	О2= 0,290·1,429	41,50
С5Н12= 0,23·3,218	0,20
N2= 8,64·1,251	10,80	Невязка	-0,89
Н2О = 0,99·0,804	0,80
Воздух
О2 = 10,60·0,21·100·1,429	318,20
N2= 10,60·0,79·100·1,251	1047,94
Н2О = 10,60·0,0016·10·100·0,804	13,64
Итого	1462,02	Итого	1462,02

Невязка баланса составляет: = 0,061%.

Определяем теоретическую температуру горения природного газа. Для этого находим общее теплосодержание продуктов горения по формуле (0), пренебрегая теплосодержанием природного газа и воздуха и теплотой диссоциации:

i _общ = = 2942 кДж/нм³.

По i–t-диаграмме (рис. 2) находим теоретическую температуру горения при коэффициенте= 1,15:t_теор= 1780°С.

Находим расчетное теплосодержание продуктов горения с учетом пирометрического коэффициента, который примем равным = 0,78:

i_общ = i _общ ^.  = 2942 · 0,78 = 2295 кДж/нм³.

По i–t-диаграмме (рис. 2) находим действительную температуру горения природного газаt_действ= 1450°С.

Допустим, требуется создать в печи температуру 1680ºС.

Для этого необходимо повысить теплосодержание ПГТ. Определяем по i–t-диаграмме, что при 1680ºСi_общ = 2724 кДж/нм³.

Снизить коэффициент избытка воздуха α ,чтобы уменьшился общий объем ПГТ V_и таким образом повысилось их теплосодержаниеi_общ, нельзя, так как= 1,15 близко к минимально допустимому значению и в результате сниженияухудшится смешивание потоков топлива и воздуха.

Общее теплосодержание продуктов горения топлива i_общможет быть повышено за счет теплоты подогретого воздухаi _возд, идущего на горение. Определим температуру подогрева. Вклад в теплосодержание ПГТ от нагретого воздуха:

Δi_общ=== 550 кДж/нм³.

Приравниваем добавочную теплоту величине теплосодержания воздуха. При сжигании газа доля вторичного воздуха может достигать 100%, т.е. в формуле (0) k= 1,00.

Δi_общ=i_возд=, т.е.

i_возд== 550= 613 кДж/нм³.

По i–t-диаграмме (рис. 1) определяем, что воздух обладает теплосодержаниемi_возд= 613 кДж/нм³при подогреве доt_возд= 420ºС.