книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

Определение температуры

сгорания

и жаропроизводительность

топлива

Различают

калориметрическую

и теоретическую

температуры

сгорания

топлива.

Калориметрической температурой сгорания называется температура, до которой

нагрелись бы газы

при полном сгорании топлива,

если

бы все тепло,

введенное

в топку, пошло на нагрев газов. Калориметрическую

температуру сгорания с мини­

мальным (стехиометрическим) количеством окислители и без подогрева

компонентов

сгорания называют жаропроизводительной способностью

топлива или его жаро-

производительностью.

Калориметрическую температуру сгорания найдем из теплового

баланса

(при­

ход тепла равен энтальпии газов), отнесенного к единице

количества

топлива

(1 кг

или 1 м3 ):

tK

=

5

а-

в-

r-

- t

,

(VII.19)

U R O / C O 2

+ Y N 2 C N 2 + а н 2 о с н 2 о + w (а - 1) с в

где vr

— количество

продуктов

сгорания, получающихся

из единицы количества

топлива,

vr

=

VRO2 + » н , +

VH2O

+ v ° ( a - l ) = v ° r

+ v ° Да;

( V I I .20)

а

— коэффициент

избытка

воздуха;

vr

— теоретическое

количество продуктов сгорания при а = 1;

tB

и tT

— температура воздуха и топлива, °С.

Жаропроизводительность топлива

будет

жаропроизводительность окиси углерода

при QCH =

3018 ккал/м 3 составляет tm =

= 2500 С, а жаропроизводительность

природного

газа при QCH = 8500 ккал/м 3

будет tx = 2040° С, т. е. гораздо ниже, чем у окиси

углерода. Как видно из фор­

мулы (VII.21), она тем больше, чем больше количество тепла, приходящееся на 1 м

3

нагреваемых газов QP/vr, значение которого

следующее: для доменного газа я«600;

для генераторного газа *=«750; для городского

(московского) газа «^1040 и для окиси

углерода «*1100 ккал/м3 .

П р и м е р

V I I . 1.

Определить

жаропроизводительность

окиси

углерода СО,

если ее теплота

сгорания

Q£ = 3018 ккал/м3 .

Теоретический расход воздуха по формуле

(VI 1.12)

v° =

0,0476- 0,5- СО =

0,0476- 0,5- 100 =

2,38

м 3 /м 3 .

Количество

продуктов сгорания

(без учета влаги воздуха) по формулам

( V I I . 13)

и

(VII.14):

У° =

У С С , 2

+

v°Ni

=

0,01-100 +

0,79-2,38 =

1,0 +

1,89 = 2,89

м 3 / м 3 .

Из

таблицы

[7], задаваясь

предварительно

tx

= 2400° С,

находим

средние

теплоемкости:

с со2

=

ккал/(м3 -град)

и cN^ = 0,36

ккал/(м3 -град)

/

—

3018

_

pr0 f l o с

1 ж

~

0,59 + 1,89-0,36 _

Z D U U

Ь

-

It-диаграмма

полного

сгорания

топлива

и

примеры

ее

использования

При

проектировании

промышленных печей,

рекуператоров,

регенераторов

и

котлов-утилизаторов приходится выполнять много

расчетов,

в

частности, делать

подробные расчеты

процессов горения для различных

избытков воздуха, вычислять

Температура

npody/етоб сгорания, °с

Козахриниент расхода

воздуха

а

1,0

1,1

1.1

а

'Л

1.5

I.S

1,1 2,0

2,5 3,0

Количество

воздуха,

м'/м>

газа

0,72 0,7S 0,86

w

(06

I.IS

1,30 IM

1,602,16

Количество

продуктов

'№1,7'

сгорания, м '/м'

газа

'.57

1,73 1,86 ',05 2,0

2,15 2,232,653,01

Р и с . 87. График расчета

с г о р а н и я в в о з д у х е

д о м е н н о г о

газа с

QP — 900 к к а л / м

1000

tsoo

Температура

продуктов сгорания, °С

Кюсрфициент

рас/ода

возвут

а

1,0

1,1

1.2

1,3 >,*

1,3 1,3 1.8 2.0

2,3 3,0

Количество воздуха,

м!//гг

мазута

ЮМ f/,48 /2,33/337 /4/2 13,16№,7018,7920,8826,1031,!?

Количество продуктов

сгорания,

м у/г г

мазута 11,0512,03/3/4

14, IS15,23№,2717,31/9,4021,4926,7111,93

Р и с .

88. График

расчета с г о р а н и я в

в о з д у х е

м а з у т а марки

80 при р а с п и ­

л и в а н и и в о з д у х о м

пература газов. На диаграмме нанесено семейство

кривых / =

f (tr) для различных

избытков воздуха при полном сгорании

топлива. Кроме того, даны кривые для

калориметрических температур сгорания при различных коэффициентах

избытка

воздуха tK=

f (tB, а),

а для газообразных

топлив — также в зависимости от одно­

временного подогрева воздуха и газа tK=

f (tB,

tT, a).

Помимо

указанных кривых, на диаграмме часто приводятся данные о

расходе

воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества топлива

vв

= / (а),

и об объемах продуктов сгорания,

получаемых при сгорании

единицы

количества

топлива у г =

/ (а), а также о содержании С 0 2 и 0 2

при различных избытках

воздуха

в сухих и дымовых

газах

и содержании

Н 2 0 во влажных дымовых газах.

Расчет неполного сгорания

топлива

зование горючего с

окислителем,

достаточные

температурные условия

процесса

и надлежащая подготовка топлива

к сгоранию.

Неполное

сгорание

топлива имеет

место: при диссоциации углекислого

газа С 0 2

и водяного

пара

Н 2

0 в

условиях

высоких температур

(более 1500° С);

при недостатке окислителя

(воздуха) и при

va = = l

= 0,0889 ( С р + 0.375SP) + 0,265НР

— 0,0333Ор =

= 0,0889(81,5 + 0,375-1,0) + 0,265-0,4 — 0,0333-0,9 = 7,35 м 3 /кг .

Объем

сухих трехатомных газов

Кр

v R 0 2

= 1 , 8 6 6 щ = 1,866(0,815 + 0,375-1,0)= 1,58

м 3 /кг .

Объем

азота

p = 0,79-7,35+ 0 , 8 ^ = 5,82

м 3 /кг .

y N = 0,79w + 0,8 ^

N

= 0,79-7,35 + 0,8

1 2

^

ш

Объем

водяных паров

"г = y R O z + V°NS

+ VH20 = ! . 5 8 + 5 - 8 2 + 0 2 1 = 7 - 6 1 М 3 / К Г -

Состав продуктов

сгорания:

СО, = ^ 1 0 0

= lf™

=20,8%;

H 2 O = - ^ - 1 0 0 = 0 - 2 1 f i 1 1

0

0 = 2,70/o;

5 82

N 2 = -yigy- 100 = 76,5%;

J

= 1 0 0 % -

расхода

воздуха а = 0,9 и содержании окиси

углерода

СО = 6,4%.

Потеря тепла от химического

недожога

Qx

=

30,2t>c.г СО = 30,2- 6,58- 6,4 =

1280

ккал/кг.

Доля несгоревшего

углерода

и -

Q x

-

1 2 8 0

- 0 28

- ° ' 2 8

-

Уп~~56ЖР~

56,2-81,5

Расход воздуха в условиях

сгорания кокса

v

= 0,0889

[(1 — (/„) С р + 0,375Sp ] + 0,0445//н Ср

+

+

0,265НР — 0,0333Ор = 0,0889 (0,72-81,5 + 0,375-1,0) +

+

0,0445-0,28-81,5 + 0,265 • 0,4 — 0,0333 • 0,9 = 6,38^м3 /кг.

Объем

сухих

трехатомных газов

vRO, = 0,0187 (1 - у в

) С р + 0,375Sp =

=

0,0187 (0,72-81,5+ 0,375-1,0)^ 1,1 м3 /кг.

Объем

азота

мР

o N

> =

0,79У° + 0 , 8 ^

- = 0,79-6,38 ^ 0 , 8 - 0 , 0 1 2 =

5,05 м3 /кг.

Н а О ^ • - i - Н 2 + ОН .

( V I I .

До температур порядка

1500° С диссоциации молекул продуктов сгорания

рода

р с о = 0,12 ат при температуре

1500° С степень диссоциации

С 0 2 составляет

0,5%,

но'при

2000° С она возрастает

до

11,8%,

а при 3000° С достигает

91,7%.

Для

водяного

пара

Н 2 0 при / ? Н г 0

=

0,10

ат и

температуре при

1600° С

степень

диссоциации 0,6%,

при 2000° С 4,3%

и при 3000° С 61,6% . Степень диссоциации уве­

H a ^ = i 2 H ;

0 2

^ ± 2 0 .

( V I 1.30а)

Азот при обычных температурах, имеющих место в печах, можно рассматривать

как инертный

газ,

но при

2000° С начинается образование закиси

азота

4 - N 2

+ 4 ° а

^ n o -

( v i 1 - з о б )

Поскольку эта реакция эндотермическая, ее значение увеличивается с ростом

температуры.

Состав

газов

в

этом случае

будет

следующий:

С 0 2 +

Н 2 0 +

СО +

Н 2

+ ОН + Н +

О +

0 2 + N 2 + NO =

100%.

Как видно из приведенных выше формул, при диссоциации увеличивается

объем продуктов сгорания: на V 2 молекулы

кислорода на каждую молекулу разло­

жившихся С 0 2

и Н 2 0 . Это позволяет рассчитать объем, на который

увеличивается

первоначальный

объем

продуктов сгорания:

^дисс = 0,5 (SC o2

- с 0 2 + « н . о • Н 2 0 ) ,

(VI1.31)

где первое слагаемое — количество появившегося в результате

диссоциации СО,

а

второе — количество

появившегося Н 2 .

Коэффициент

перед скобками переводит

эту сумму в количество свободного кислорода. Сумма количество С 0 2

- j - СО и Н 2 0 - j -

+

Н 2 после диссоциации

равна первоначальной сумме

С 0 2 +

Н 3

0 .

Диссоциация вызывает

потерю тепла от химического

недожога

только в рабо­

Тепловой баланс в

этом случае можно записать

так:

( V I

1.32)

где

<7дисс — потери от химического

недожога

из-за диссоциации газов;

/ в

и

/ т — энтальпия воздуха и

топлива;

Т|' •—коэффициент тепловыделения,

100 — <7дисс

+

/ в +

/ т

( V I

1.33)

100

Теоретическую температуру

сгорания определяют

по уравнению

° С .

( V I

1.34)

vrcr

Расчет неполного

сгорания

газообразного

топлива

. при

коэффициенте

расхода

воздуха а <^ 1

С/лНл

-> ~тг- Н 2 -f-

mCj,

( V I

1.35)

в частности,

для

метана

С Н 4

2 Н 2

-f- Cj

(VI

1.36)

Степень разложения углеводородов г|) зависит от температуры; для

метана

С Н 4

при 800° С она равна г|з =

0,08, а при 1300° С ip = 0,97; для этилена

С 2 Н 4 можно

углерода при полном разложении метана составляет 268 г/м3 , этилена С 2 Н 4

553 г/м3

и т . д. Поскольку сгорание газа в печах чаще всего идет при относительно

высоких