Методика расчета количества и состава выбросов от горения твердого топлива в спекаемом слое агломерационной шихты. Методические указания к самостоятел

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

теоретически необходимый

расход кислорода при полном или

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

12.08.2026

Размер:

782 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 52 3 4 5 > Следующая >>>

Пример 1. Рассчитать массовые доли компонентов в углекислом газе (СО2),

окиси углерода (СО), в воде (Н2О), метане (СН4) и ацетилене (С2Н2).

Расчет представим в табличной форме (табл. 3)

Проанализируем результаты расчета.

В углекислом газе (СО2) углерода содержится 27,3% (масс.), в угарном газе (СО) ― 42,9% (масс.). В углеводородах углерода содержится больше, чем в оксидах: в СН4 ―75,00%, в С2Н2 ― 92,30%. Вода на 88,9% состоит из кислорода, на долю водорода приходится 11,1%.

Метод расчёта весового состава химических веществ является основой практически всех самых сложных расчётов технологических процессов производства чугуна и стали (тепловые и материальные балансы, технологические параметры, удельные расходы сырых материалов и т.п.). Практическое применение этого метода проиллюстрируем на следующем примере.

																Таблица 3
	Расчет весовых составов химических веществ
			(Р = 101,08 кПа или 760 мм рт. ст. и Т = 0 оС)

								Химические вещества
Параметр				СО2				СО		Н2О				СН4			С2Н2
				СО2				СО		Н2О			метан			ацетилен
													метан			ацетилен
Молекулярный вес				44			28			18				16			26
Атомный вес				12			12			-				12			24
углерода				12			12			-				12			24
углерода
Удельный вес,				1,963			1,250		0,804 (пар)		0,717						1,342
кг/нм3				1,963			1,250		0,804 (пар)		0,717						1,342
Весовая доля			12	0,273		12	0,429			-		12		0,750	24		0,923
углерода (gC)
			44			28						16			26
			44			28						16			26
Весовая доля		32		0,727	16			0,571	16	0,889				-			-
кислорода (gO)
		44			28				18
		44			28				18
Массовая доля				-			-		2	0,111		4		0,250	2		0,077
водорода (gH )
									18			16			26
									18			16			26
Сумма массовых		0,273+0,727=			0,429+0,571=				0,889+0,111=			0,750+0,250=			0,923+0,077=
долей				=1,00			=1,00			=1,00				=1,00			=1,00

Если топливо представляет собой смесь индивидуальных химических

веществ, то их элементный весовой состав может быть вычислен по формуле

gi gik gk , (1.9)

где gk – весовая доля k–го компонента (индивидуальных химических вещества в топливе); gi k – весовая доля i–го элемента в k–м компоненте (она рассчитывается по формуле (1.8).

Пример 2. Рассчитать весовой элементный состав природного газа,

состоящего из смеси следующих газов, % (объём.)
СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
95,00	3,50	1,00	0,5

Как видно из химических формул, все компоненты состоят из углерода и

водорода и относятся к углеводородам метанового ряда. Общее количество углерода можно представить как сумму весовых долей углерода, содержащихся в каждом из указанных газов:

Собщ = ССН							4	+ СС					2		Н		6			+ СС								3		Н		8		+ СС			4	Н	, кг / м3,									(1.10)
							4						2				6											3				8					4		10
где С с			индексами																		СН4,														С2Н6, С3Н8,							С4Н10			–	количество		углерода,
содержащегося в соответствующих газах, кг/м3.
ССН			СН 4												gC							1										95,00					0,7143			0,75	0,01		0,5089			кг;		(1.11)
								СН
		4						СН		4											100
																					100
СС						С2 Н 6														gС						1								3,50 1,3393						0,80	0,01		0,0375 кг;					(1.12)
	Н								C			H
	Н								C			H											100
2			6							2					6

СС						С3 Н8													g						1									1,00 1,9643						0,8182		0,01		0,0161 кг;				(1.13)
	Н								C		H											С
	Н								C		H											С	100
3			8							3				8

СС						С4 Н10																g							1					0,50					2,5893 0,8276				0,01		0,0107 кг.			(1.14)
	Н									C				H									С
	Н									C				H									С			100
4			10									4				10

																														_______________________________
																															ΣСг = 0,5732 кг / м3 природного газа.
В формулах (1.16.-1.19) СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10																																															– газообразные
компоненты природного газа, % (объем.);																																										с индексами СН4, С2Н6, С3Н8,
С4Н10 – удельный вес соответствующих газов, кг/м3.
2. Таким же образом производится расчет количества водорода:
(Н 2 )СН					4	СН 4						CH				4						g H			2							95 0,7143 0,25 0,01										0,1696			кг;			(1.15)
					4											4									2
(Н 2 )С						С2 Н																		g H										1			3,50 1,3393				0,20		0,01		0,0093		кг;	(1.16)
				Н					6						С				Н
				Н					6						С				Н													100
			2			6											2					6								2		100
(Н 2 )С						С3 Н																	g H										1			1,00 1,9643 0,1818 0,01									0,0036 кг;			(1.17)
				Н					8						C			H
				Н					8						C			H													100
			3			8											3				8								2		100
(Н 2 )С						С4 Н10																					g H							1					0,50	2,5893		0,1724		0,01		0,0022 кг.		(1.18)
				Н													C					H10
				Н													C																	100
			4			10														4													2

_________________________________

ΣН2 = 0,1847 кг / м3 природного газа.

Итак, в 1 м3 природного газа содержится 0,5732 кг углерода и 0,1871 кг водорода. Их весовое соотношение составляет:

С =	0,5732	75,62%	и	Н2 =	0,1847	24,38% .

	0,5732 0,1847				0,5732 0,1847

Удобнее эти расчеты выполнять в табличной форме, - уменьшается вероятность механических ошибок в арифметических действиях.

							Таблица 4
	Расчет теплотехнических характеристик природного газа
		(Р = 101,08 кПа или 760 мм рт. ст. и Т = 0 оС)

№				Компоненты
№		Параметр					∑
п.п		Параметр	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	∑
п.п			СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10

1		2	3	4	5	6	7
1	Молекулярный вес		16	30	44	58
2	Содержание, % (объем.)		95,00	3,50	1,00	0,50	100
3	То же, м3/м3		0,95	0,035	0,01	0,005	1,000
4	Удельный вес (t=20 oC),		0,714	1,339	1,964	2,589	–
	кг/м3		0,714	1,339	1,964	2,589
	кг/м3
5	Количество, кг/м3		0,6786	0,0469	0,0196	0,0129	0,7580
	природного газа		0,6786	0,0469	0,0196	0,0129


6	Массовая доля		0,8952	0,0619	0,0259	0,0170	1,000
							1,000

7	Массовая доля углерода		0,750	0,800	0,8182	0,8276	–
	(gC)		0,750	0,800	0,8182	0,8276	–
	(gC)
8	Количество углерода,		0,5089	0,0375	0,0160	0,0106	0,573
	кг/м3		0,5089	0,0375	0,0160	0,0106	0,573
9	Массовая доля водорода		0,250	0,200	0,1818	0,1724	–
	( g H	)	0,250	0,200	0,1818	0,1724	–
	( g H	)
		2
10	Количество водорода,		0,1696	0,0094	0,0036	0,0022	0,1848
	кг/м3		0,1696	0,0094	0,0036	0,0022	0,1848

Расчет складывается из двух этапов. На первом этапе определяются весовые количества каждого компонента в 1 м3 природного газа (строка 5).

Их сумма есть ни что иное, как удельный вес природного газа (Т =0 oC, Р = 101,08 кПа) ― 0,758 кг/м3 (строка 5,столбец 7). На втором этапе достигается цель задачи, но при этом четко фиксируются важные характеристики компонентов, например, весовые доли углерода в каждом из них (строка 7) и

водорода (строка 9).

Иногда требуется представить содержание углерода и водорода в газовой смеси в объёмных единицах. В этом случае расчёт производится по формулам:

С = 1001 (1∙СН4 + 2∙С2Н6 + 3∙С3Н8 + 4∙С4Н10 ) = 1∙0,95 + 2∙0,035 +

+3∙0,01 + 4∙0.005 = 1,070 м3/м3;			(1.19)
Н2 =	1	(2∙СН4 + 3∙С2Н6 + 4∙С3Н8 + 5∙С4Н10 ) = 2∙0,95 + 3∙0,035 +

100
+4∙0,01 + 5∙0.005 = 2,060 м3/м3.			(1.20)
Несколько сложнее рассчитывается			весовой состав твёрдого топлива,

поскольку основные горючие компоненты, например, углерод, сера, сложные углеводороды присутствуют в летучей и нелетучей частях топлива. Методику

расчёта проиллюстрируем на примере расчёта весового состава угля марки Г

(газовый).

Пример 4. Рассчитать весовой состав угля марки Г (газовый).

Технический анализ: Wr= 1,00 %; Ar =15,00 %; Vr = 16,50 %; Sr = 1,50 %.

Количество Н2 в летучих, кг/кг угля:

(М Н 2 )лет = 0,01(1,989∙ 164 +2,573∙ 306 +1,885∙ 448 +0,642∙ 1058 + 0,9995) = 0,02464.

Количество Н2 в гигроскопической влаге, кг/кг угля:

(М Н 2 )вл = 0,01(1,00∙ 182 )= 0,0011.

Всего водорода, кг/кг угля:

(М Н 2 )У (М Н 2 )лет. (М 2 )вл 0,02464 0,0011 0,02574 .

(1.21)

Количество углерода летучего, кг/кг угля:

(МС )лет. = 0,01(1,989 1216 +2,573 3024 +1,885 3644 +0,642 5848 + 2,9066 1228 +4,0295 1244 ) =

0,0798.

(МС )нелет. = 0,6600 кг (по техническому анализу).

Всего углерода в угле, кг/кг:

(МС )У (МС )лет (МС )нелет 0,0798 0,6600 0,7398 .

(1.22)

Таблица 5

Расчет весового состава летучего вещества газового угля (кг/100 кг)

(Р = 101,08 кПа или 760 мм рт. ст. и Т = 0 оС)

			Ком-				, кг/м3							кг
			Ком-
	поненты			% объём.							Масса, м3				% масс.	Масса, кг
	поненты			% объём.							Масса, м3				% масс.	Масса, кг
			1	2			3				4				5	6
			1				3				4					6

			СН4	12,30			0,717				0,0882				12,054	1,989
			СН4				0,717				0,0882					1,989

			С2Н6	8,50			1,342				0,1141				15,594	2,573
			С2Н6				1,342				0,1141					2,573

			С3Н8	4,25			1,967				0,0836				11,425	1,885
			С3Н8				1,967				0,0836					1,885

		С4Н10		1,10			2,59				0,0285				3,895	0,642
		С4Н10					2,59				0,0285					0,642

			Н2	49,24			0,090				0,0443				6,054	0,9995
			Н2				0,090				0,0443					0,9995

			СО	10,31			1,25				0,1289				17,617	2,9066
			СО				1,25				0,1289					2,9066

			СО2	9,10			1,963				0,1787				24,424	4,0295
			СО2				1,963				0,1787					4,0295

			N2	5,00			1,25				0,0625				8,541	1,4096
			N2				1,25				0,0625					1,4096

			O2	0,20			1,428				0,0029				0,396	0,0644
			O2				1,428				0,0029					0,0644

			∑	100							0,7317				100,000	16,498
											0,7317					16,498

			Количество азота:
М N		2	= 0,01∙1,4096 = 0,0141 кг.
		2
Количество кислорода в угле равно сумме кислорода, связанного в виде
СО, СО2 , Н2Огигр и свободного кислорода в составе летучих:
(МО2			)У (МО2	)СО (МО2		)СО2	(МО2 )Н 2О			(МО2 )СВ ).						(1.23)
Подставим в это выражение численные значения соответствующих
величин
М О			=0,01(2,9066∙		16	+4,0295∙		32	+1,00∙			16	+0,0644) = 0,05545 кг/кг.
М О			=0,01(2,9066∙			+4,0295∙			+1,00∙				+0,0644) = 0,05545 кг/кг.
		2		28			44			18
		2

Количество серы и золы согласно техническому анализу равно,

соответственно 0,015 кг 0,15 кг.

Проверка рассчитанных значений весовых единиц делается путём

расчёта баланса по отношению 1 кг угля в рабочем состоянии:
∑ gi = (МС )У	(М Н	)У	М S	MO	2	M N		M	зола .	(1.24)
		2			2		2
						15

Обратите внимание: в формуле отсутствует слагаемое, отражающее количество гигроскопической воды (величина влажности угля). Её количество учтено в виде водорода и кислорода, как химических элементов угля.

Подставив соответствующие значения в (1.24), получаем

∑ gi = 0,7398 + 0,02574 + 0,0150 + 0,05545 + 0,0141 + 0,150 = 1,0001 кг.

По тому, как точно сошёлся материальный баланс, заключаем, что численные значения весовых единиц химических элементов угля рассчитаны правильно.

1.9. Тепловой и газодинамический эквиваленты кислорода

Тепловой ( qO2 ) и газодинамический ( О2 ) эквиваленты кислорода ― это теплотехническая и газодинамическая характеристики топлив, впервые предложенные Г.В. и Е.Г. Коршиковыми, с целью оценки затрат кислорода на образование данного количества тепловой энергии [Дж/м3 О2] и количества газов, образующихся в результате горения данного топлива [м3/м3 О2]. Первый из них по существу адекватен понятию кислородоемкости (подобно частным

показателям природоемкости ― энергоемкость или металлоемкость),

отражая затраты кислорода, теоретически необходимого для сжигания данного топлива, на единицу выделяющегося тепла (кДж/м3). Второй ― отражает продуктивность исследуемого топлива по количеству образующихся газов,

отнесенных к 1 м3 кислорода.

Оба показателя предложены с целью комплексной оценки воздействия производства энергии путем сжигания естественных топлив (ГИ) на

загрязнение		окружающей среды, оказываемое изъятием	кислорода из
атмосферы и выбросом в нее продуктов горения.
Значения qO2 и O2 рассчитывают по формулам:
q =	1	Q ,	(1.25)

O2	VO2	т

химически неполном сгорании топлива, м3/ кг (м3); Qт – теплота сгорания,

выделяемая при стехиометрически необходимом расходе кислорода, кДж/кг

(м3); Vг	– выход продуктов горения топлива в атмосфере чистого кислорода,
м3/кг (м3).		Например, по отношению углерода кокса при условии химически
неполного сгорания
C + ½ О2 = СО +117836 кДж/моль						(1.27)
эти показатели составят следующие значения:
q	=	1	9828		10533,7 кДж/м3 О .	(1.28)

O	2	0,933			2

	=	1		1,867	2,001 м3/м3 О2,	(1.29)
O		0,933
	2

где 0,933 – расход кислорода на горение 1 кг углерода кокса						до СО (Ск →СО),

м3/кг Ск; 1,867 – количество газа, которое образуется в результате горения 1 кг Ск (поскольку горение происходит в атмосфере чистого кислорода, то продуктом горения является монооксид углерода ― СО), м3/кг Ск; 9828 –

теплота сгорания 1 кг углерода кокса до СО, кДж/кг Ск.

Рассчитанные величины следует понимать так: на 1 м3 кислорода,

израсходованного на сжигание в горне печи углерода кокса, выделяется

10533,7 кДж тепла и образуется 2,001 м3 оксида углерода.

Применительно к доменному процессу эти показатели позволяют оценивать качество топлива по отношению атмосферного кислорода как основного фактора,

определяющего интенсивность доменной плавки. Качество топлива тем выше, чем больше выделяется тепла и меньше (или наоборот, больше, когда процесс лимитируется недостаточным количеством восстановительных газов) образуется горнового газа на единицу израсходованного кислорода. Эти показатели

расширяют теплофизические характеристики уже используемых или

проектируемых для использования топлив.

2.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ УГЛЕРОДА ТОПЛИВА

2.1.Расчет состава воздуха, расходуемого на сжигание топлива

В металлургических процессах для сжигания топлива используют атмосферный воздух или воздух, обогащенный кислородом. Атмосферный воздух – это естественная смесь газов, сложившаяся в ходе эволюции Земли. В

нижних слоях атмосферный воздух по объему (%) состоит:

азот	78,04;
кислород	20,946;
углекислый газ	0,034;
водяной пар	0,2 0,4;
аргон	0,934;
неон	0,0018.

Кроме этих газов в атмосферном воздухе присутствуют: гелий, криптон,

водород, метан, окись азота, окись углерода и пыль. Состав атмосферного воздуха непрерывно меняется: увеличивается содержание CO2, CO, CH4 и

других газов.

В практических расчетах, когда не требуется учитывать примеси других газов, допускают, что атмосферный воздух состоит из трех компонентов: азота,

кислорода и водяного пара. При этом исходят из упрощения, что в сухом воздухе содержится 21% O2 и 79% N2. Содержание водяных паров указывают сверх 100% и поэтому состав влажного воздуха (%) рассчитывают по

формулам:
O2	=[21/(100 + H2O)]∙ 100,	(2.1)
N2	=[ 79/(100 + H2O)]∙100,	(2.2)

где H2O – содержание паров воды в воздухе, %.

Пример1. Рассчитать состав влажного воздуха, содержащего 1% паров

воды.

Расчет: Из условия задачи H2O = 1,00%;

O2 =[ 21,00/(100 + 1,00)]∙100 = 20,79%;	(2.3)
N2 =[ 79,00/(100 + 1,00)]∙100 = 78,21%.	(2.4)
Cумма трех компонентов составляет 100%.

В технических расчетах удобнее состав воздуха выражать в долях по отношению к кислороду. Например, состав рассчитанного выше воздуха

выглядит так:
O2 =1,00; N2 =78,21/20,79 =3,762; H2O =1,0/20,79=0,048.	(2.5)
Сумма коэффициентов 1,00 + 3,762 + 0,048 = 4,81.	(2.6)
Если воздух обогащен кислородом до 30%, то его состав будет выражен
так: O2 = 30%; N2 = 100 – (30 + 1) = 69%; H2O = 1%.
В долях по отношению к кислороду:
O2 = 1,00; N2 = 69/30 = 2,30; H2O = 1/30 = 0,0333.	(2.7)
Сумма коэффициентов
1,00 + 2,30 + 0,0333 = 3,333.	(2.8)

Частное от деления суммы коэффициентов атмосферного и обогащенного воздуха составляет: 4,81/3,333 = 1,443. Эта величина отражает степень обогащения воздуха кислородом – 44,3%. То же получается от деления величин, отражающих содержание кислорода в атмосферном и обогащенном воздухе: 30:20,79 = 1,443.

Примечание. При больших значениях влажности, начиная с 2%, следует производить

поправочный пересчет на 100%.

Пример 2. Рассчитать состав воздуха при влажности 2%.

O2 = (21/102)∙ 100 = 20,59%;

N2 = (79/102)∙ 100 = 77,45%;

H2O= 2,00%.

=20,59 + 77,45 + 2,00 = 100,04% .

Пересчет делается путем умножения рассчитанных значений на величину

100/100,04. После пересчета получим O2 = 20,58%; N2 = 77,42%; H2O = 2,00%.

Во многих технологических процессах пары воды принимают активное участие в процессах горения топлива. Например, в горне доменной печи парообразная вода взаимодействует с углеродом раскаленного кокса, образуя СО и Н2.

2.2. Химические реакции горения углерода топлива

Реакции горения углерода
C + (1/2)O2	CO + 123,18 кДж/моль,	(2.9)
C + O2 CO2 + 410,040 кДж/моль.		(2.10)
Во многих	технологических процессах	горение углерода совершается

одновременно по реакциям (2.9) и (2.10).В этом случае требуется определить количество углерода, сгорающего по каждой из этих реакций. Это важно,

поскольку реакции горения отличаются по всем теплотехническим характеристикам: по тепловому эффекту, по составу продуктов горения, по количеству расходуемого кислорода.

В спекаемом слое агломерационной шихты только около 45% углерода

топлива сгорает до CO2 (2.10). Остальное количество ( 55%) сгорает до CO по реакции (2.9). Это соотношение устанавливают с помощью коэффициента k,

который рассчитывают по формуле
k =( m + 0,5 n )/(m + n),	(2.11)
где m – доля углерода, сгорающего до CO;

n– доля углерода, сгорающего до CO2.

Сучетом этих коэффициентов реакция горения углерода запишется:

C + k∙(1 O2 + 3,762 N2 + 0,048 H2O ) = mC02 + nCO +
+k∙3,762N2 + k∙0,048H2O.	(2.12)

Принципиальным отличием в написании этой реакции от реакций (2.9)

и (2.10) является то, что здесь окислителем выступает не чистый кислород, а

<<< < Предыдущая 12 / 52 3 4 5 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]