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

вает совместное

протекание реакций:

С 0 2

+

С ^ ± 2СО +

38 790 ккал/кмоль;

(VI 1.37а)

С О а

+

Н 2

СО +

Н 2 0 ± 10 410 ккал/кмоль.

(VII.376)

Кинетика этих реакций определяется температурой, и поэтому при расчете задаются

температурой

топочной камеры с последующей ее проверкой. Обозначим: через

х — количество

С 0 2 , прореагировавшего

с соответствующим количеством углерода

до 2С0 по реакции (VII.37а);

через у—

количество

метана СН4 , распавшегося на

2Н 2 и С по реакции (VII.36). Состав сухого газа в общем случае в объемных долях

следующий:

СН 4

+

2 C m H „ + СО +

Н 2 + Н 2 +

Н 2

0 2 = 1.

(VII.38)

Расход воздуха

при заданном

коэффициенте

расхода

воздуха а < М ;

«в =

а», =

4,76а

[ 0 , 5 С О + 0 , 5 С Н 2 - Ь 2 Н 4 + 2

(т

+ J ^ ) C m H n

+

+

1.6H.S — О , ]

м»/м»,

( V I 1.3

где

о 0 — расход

воздуха, теоретически

необходимый

для полного

сгорания.

Объемы продуктов сгорания (м3 /м3 ) определяются по следующим

уравнениям

материального баланса

процесса

горения:

объем

азота

, N j = 0 , 7 9 a t ; 0 + J ^ - ,

здесь N 2

— содержание

азота в газообразном топливе, %;

объем

сухих

трехатомных

газов

vRO>

= a (СО +

С Н 4 +

£

тСтНп

+

H 2 S ) + С 0 2 -

х;

(VI1.41)

объем

окиси

углерода

V,

( 1 - а ) С О + 2 * ;

(VI 1.4

со

объем

водяных паров

" н ! 0

= а ( н 2 + 2 С Н 4 + ^

- i - C m H B + H 2 S + 0 , 0 1 6 » 0 ) + 0 , 1 2 4 d r

(VII.43)

Здесь dr

— влагосодержание

газа, г/м3 ;

объем

метана

vcHl

= О - « 0 С Н 4 - у;

объем

водорода

•-

» н , =

0 - « ) ( н

а +

^ - Y C m H n

) + 2y.

(VII.46)

Д л я

определения

неизвестных

напишем

константы

равновесия

реакций (IV.36)

и (IV.376):

A 1

V

=

-СН 4

" с н , .

(VII.46)

у

С 0 2 - Н а

( V I 1

•'RO, + vco

+ vH2o + vCHt

+

а н 2

+

VN2 м 3 / м 3 ;

( V I I -49)

состав газов

в объемных

процентах

R 0 2 +

СО + Н 2

0

+ СН 4 + Н 2

+

N 2

=

100%.

( V I I . 50)

С , =

120,1

„\ m

tjx ti i

г/м3 ,

( " О с н .

2 2 - 4

(VII . 51)

где (yfi) c H

— объем,

занимаемый

1 молем

высокомолекулярных углеводородов,

Д К С о — объем окиси углерода, полученный в результате реакции

(VII.37а).

П р и м е р

V I I . 3 . Определить состав

продуктов

неполного

сгорания природ­

ного газа при коэффициенте расхода воздуха а = 0,4

при 1200° К-

Состав

газа,

%

(объемн.):

89,9 СН 4 ; 3,1 С 2 Н в ; 0,9

С 3 Н 8 ; 0,4

С 4 Н 1 0 ;

0,3 С 0 2 ;

5,4 Н 2 .

Влагосодержание газа dT

= 12 г/м3 .

Расчет

ведем

на

100 м 3

газа.

Расход

воздуха

при а =

1 по формуле

(VII.39)

VB =

4,76 [2-89,9 + 3,5-3,1 + 5-0,9 +

6,5-0,4] =

936 м 3 .

Расход

воздуха

при а =

0,4

V B =

936-0,4 = 374 м 3 .

k? =

= ° ' 0 1 6 6 - о т к у д а

у = 1 8 ' 8 '

feV=

( 4 0 , 4 2 - , ) ( 8 , 9 2 + 2.18,8) д ^

о т к у д а , = п > 2 5 .

«со = °>2 2 5

; vco,

= °>292;

»Nj = 3--

% а о = ° . 8 5

2 ;

«сн4 = ° . 3 5 1

;

" Н г = 0 - 4 б 5 .

Общий объем газов vr = 5,185

м 3 /м 3 .

Состав продуктов сгорания, %

(объемн.): 4, 33СО; 5,62 С 0 2 ; 57,93 N 2 ; 16,4 Н г О

6,75 СН 4 ; 8,97

Н 2 . Итого

100%.

по формуле

(IV.51):

Количество

сажистого

углерода

+

( 0 , в - 8 9 . 9 - М . 1 ) - 2 г . 6 / 2 j _ 1 Ю > |

^

или на

1 м 3 продуктов

сгорания

лительного нагрева металла. Он характеризуется хорошей подготовкой

смеси газа

и воздуха в специальных горелках (в том числе акустических) и высокой

температу­

углерод, а также

метан.

Расчет ведем для простоты на 100 м3 газа.

Общее

количество

продуктов

сгорания

будет:

Vr =

Vco,

+ vco

+ VH2O +

VH2

+ VNt

M8 .

( V I I

.52)

Расход воздуха определяем по формуле (VII.39), а количество

азота — по фор­

муле (VII.40).

Таким образом, остаются четыре неизвестных, которые обозначим:

Усо, = *;

усо

=

у>

Ы о = г ;

"н, = и.

Для их определения

составим

три уравнения материальных

балансов.

В левой части уравнения — количество данного элемента в

продуктах

сгора­

ния, а в правой

части — в

исходном

газообразном топливе.

Баланс

углерода

х + у = С 0 2 +

С Н 4 +

2 С 2 Н , +

З С 3 Н 8

м 3 .

(VII.53)

Баланс водорода

2z + 2и =

4СН4

+

6С 2 Н в

+ 8С 3 Н 8 м3 .

(VI 1.54)

Баланс

кислорода

2х+

у + г = 2 С 0 2

+ 2 0,21УВ

М3 .

(VII.55)

Здесь 0,21 VB — расход

кислорода воздуха.

Кроме того,

напишем еще константу равновесия реакции

, v

С 0 2 • Н 2

хи

с ~

с о н 2 о

~~ ~~уТ •

Решая

уравнения

и подставляя

значения неизвестных в формулы, находим

объемы и состав

продуктов сгорания.

П р и м е р

V I I . 4 .

Определить состав продуктов неполного сгорания ставро­

польского

природного

газа при коэффициенте расхода

воздуха а = 0,5.

Состав сухого газа, % (объемн.): 0,1 С 0 2 ; 98 СН 4 ; 0,4 С 2 Н в ; 0,2 С 3 Н 8 и 1,8 N 2 .

Теплота сгорания газа

Q„ = 8500

ккал/м3 . Температуру камеры сгорания при­

нять 1300° С.

Расход

воздуха на 100 м3

газа

найдем по формуле

(VII.39)

Ув =

4,76-0,5 (2-98 + 3,5-0,4 + 5*0,2) = 472,2 м3 .

Количество

азота

в защитном газе

V N z = 0,79-472,2 = 373,18 м 3 .

В 100 м3 ставропольского

газа

содержится,

м3 : 0,1 С 0 2 ; 98 СН 4 ; 0,4 С 2 Н 6 ;

0,2 С 3 Н 8 и 1,3 N 2 .

В результате неполного сгорания получим,

м3 : xC0 2 ; (/СО; zHa O; «Н а

я

373,18 N 2 .

уравнения

с четырьмя неизвестными.

Составим четыре

По материальному

балансу

углерода:

х + у = 0,1 + 9 8 + 2-0,4 + 3 - 0,2 = 99,5;

по

балансу

водорода:

2г +

2и =

4- 98 +

6- 0,4 + 8- 0,2 = 396;

по-балансу

кислорода:

'2х + у+ г= 2-0,1 + 2-0,21 + 472,2 = 198,2;

константа равновесия

водяного

газа:

v _

С 0 2

- Н 2

_

хи

с

С О Н 2 0

уг *

Значение константы равновесия при 1300° С будет k£ = 0,327 (по табл. V I I . 3 [1 ]).

. Из написанных уравнений

находим:

* = 17,3; ( / = 82,2; г = 81,4 и и = 116,6.

Объем

продуктов

неполного сгорания, отнесенный

к 1 м 3 газа,

при а = 0,5,

следовательно, будет, м3 /м3 :

V C O i

= 0,173; V c

o

= 0,822; V H f 0 = 0,814; VHf =

1,166 и VNi =

3,72.

Общий выход газов У г = 6,69 м3 /м3 .

Состав

газов, % (объемн.): 2,6 СО а ; 12,3 СО; 12,1 Н а О ; 17,6 Н г

и 55,4 N 2 .

•считать, что имеет место одна зона газификации, в силу чего отсутствуют

продукты

сухой перегонки (смола, тяжелые углеводороды, сероводород) и сажистый

углерод,

.а при высоких

температура (1100° С и более) отсутствует и метан как

продукт

реакции С + 2

Н 2 -> СН4 .

Состав топлива в процентах по массе

CP + H H

+ SP + O P + N p + W p + A p = 100%.

Расчет для удобства сначала будем вести на 100

кг топлива, а затем выходы газов

•будем относить к 1 кг топлива. Поскольку в данном случае имеют место

гетероген­

ные реакции, материальные балансы их следует

писать в мольном выражении.

Пусть процесс идет с коэффициентом расхода воздуха а, значение

которого

•будет меньше единицы.

Расход кислорода воздуха на газификацию

найдется из формулы

Кроме того, задаваясь температурой процесса (с последующей

проверкой),

напишем константы

равновесия реакций

% , у =

^ с н ^ .

( V I 1.6

u V -

С О г Н

г .

( V I 1.64

" с о '

отопления таких

печей

природный газ, сжигая

который

в рабочей

камере

печи

с коэффициентом

расхода воздуха а я=г 0,5, получают защитные газы, предохраняю­

щие металл от окисления; эти газы и нагревают металл. После

нагрева защитные

газы поступают в камеру дожигания, а затем продукты полного

сгорания направ­

ляются для использования в рекуператор. Выше был изложен упрощенный

метод

расчета полугазового процесса, предложенный В. Ф. Копытовым.

После определения состава продуктов горения определяют теплоту сгорания

природного

газа

по

[1] . Калориметрическая

температура

неполного

горения

tK =

_

VH2cHz

° с >

( V I 1.65)

у С 0 2 С С О 2

Т

"СОССО " T " t ' H i O C H , 0 +

+

a N 2

C N 2

здесь QH ° — количество

тепла, выделенного при неполном горении газа.

Расчет дожигания продуктов неполного сгорания ведут по изложенному

ранее

методу расчета полного

сгорания газообразного

топлива.

П р и м е р

V I I . 5 .

Для продуктов неполного сгорания ставропольского при­

родного газа, определенных в примере V I I . 3 , найти калориметрическую

температуру

горения при температуре воздуха

tB

— 0° С и tB

=

800° С.

Теплота

сгорания

защитного газа:

QCH =

30.5СО +

25,7Н2

=

30,5-12,3 + 25-17,6 =

829

ккал/м 3 ,

или

на 1 м 3

исходного

газа

QH C

=

6,69-829 =

5540

ккал/м3 .

Выделено тепло

при неполном

сгорании

газа:

=

8499 — 5540 = 2959

к к а л / м 3 .

Калориметрическую

температуру

неполного

сгорания

при

температуре

воз­

духа

tB = 0° С:

t =

2 959-100 + 0

0,321 +

372 0,340

1 3 0 0 о с

к

17,3-0,547 + 82,2-0,344 +

81,4-0,422+ 116,6

_

Калориметрическая

температура при температуре воздуха tB

= 800° С:

2959-100 +

471-0.331-800

1700° С.

17,3-0,574 +

82,2-0,355 + 81,4-0,450+ 116,6-0,331 +372-0,351

к

По сравнению с газопламенным методом электрический

нагрев

имеет следующие преимущества:

1)

высокая

концентрация энергии в рабочей зоне, что

позво­

ляет

достигать

высоких скоростей нагрева и температур;

агрегатах,

например, использование

радиационных

труб,

позволит

в рабочей зоне газопламенных пе-

.

чей создавать

любую атмосферу.

Предварительный

подогрев возду-

%

800 \

600

400

200

I960 1965

то

1975 /980

Годы

Р и с .

91.

Рост

п о т р е б л е н и я э л е к т р о ­

Рис . 92.

Э л е к т р о г а з о в а я го­

энергии

п р о м ы ш л е н н о с т ь ю

релка:

/ — э л е к т р о д ; 2

— газовый

к а н а л ;

3 — к е р а м и ч е с к а я

ха, поступающего в печь, до 1200—

т р у б а ; 4 — о х л а ж д е н и е ; 5 —

з а п а л ь н и к ;

6 — г а з о - в о з д у ш -

1600 °С в

современных

воздухо­

ная смесь

подогревателях

рекуперативного

и регенеративного типа,

позволяет

повысить

температуру

в печи

воляют решить вопрос о

регулировании

концентрации и дисперс­

ности частиц

углерода в

пламени, т. е.

вопрос

о регулировании

в заданных

пределах степени черноты

факела

природного газа,,

что имеет очень большое практическое

значение.

Газ

природный'

•4-

Металл

КП

Ч т

3=L

14

///> — г

Р и с .

94. Схема г а з о в о г о нагрева

на п р и м е р е

к у з н е ч н о г о

цеха:

Пн

—

печь г а з о в а я

д л я б е з о к и с л и т е л ь н о г о

нагрева;

КП

—

м е х а н и ч е с к и й

пресс д л я

ковки; ПГг

— агрегаты

6

7

Рис . 95. Схема открытого

(а) и к о с в е н н о г о

(б) нагрева

в

г а з о в ы х п е ч а х :

/ — камерная

печь; / /

—

методическая печь д л я нагрева

стальных з а г о т о в о к ; / / /

—

в р а щ а ю щ а я с я

печь д л я

о б ж и г а цементного

клинкера;

IV — м у ф е л ь н а я

печь; V

—

печь с р а д и а ц и о н н ы м и

т р у б к а м и