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

атмосферный воздух – он записан с помощью символов в круглых скобках в левой части реакции.

В теплотехнических агрегатах, в том числе и в спекаемом слое на агломашине, горение топлива совершается при избыточном количестве воздуха по отношению к тому количеству, которое требуется по стехиометрии. Это

условие выражают через коэффициент расхода воздуха . В агломерации этот

коэффициент отражает неполноту использования кислорода воздуха и численно равен

где ∑O2 – общее количество кислорода, которое содержится в отходящих газах

(кислород свободный и кислород, связанный с углеродом);

∑(OCO2 + OCO ) − количество кислорода в отходящих газах, связанное с углеродом.

C учетом коэффициента расхода воздуха реакция горения углерода (2.6)

запишется:

C + α∙ķ∙(O2 + 3,762∙N2 + 0,048∙H2O) = mCO2 + nCO + α·ķ∙3,762N2 +

2.3. Расчет расхода воздуха, количества и состава образующихся газов

Пример 3

Рассчитать количество воздуха, расходуемое на сжигание 1 кг углерода топлива, и количество образующихся газов.

Условия расчета:

1)воздух атмосферный с влажностью 1%;

2)m = 0,45; n = 0,55;

3)α = 1,5;

4)k = 0,725.

21

Решение: подставим в уравнение химической реакции (2.14)

соответствующие коэффициенты:

С+1,5·0,725(O2+3,762·N2+0,048·H2O)=0,45CO2+0,55CO+1,5·0,725·3,762N2+

газов производим путем расчета молей воздуха (левая часть реакции) и

где МC – количество сгорающего углерода, кг.

В общем случае формулы для расчета количества воздуха и газа (дыма)

при горении углерода имеют следующий вид:

Расчёт состава продуктов горения (%, объём.) производится по отношениям:

молей данного газа (СО2), в знаменателе общая сумма молей газов,

образующих продукты горения углерода по реакции (2.15).

Проверка правильности расчёта количества и состава продуктов горения производится путём составления материального баланса по углероду:

1)на сжигание поступило углерода – 1 кг,

2)в продуктах горения углерод содержится в виде СО2 и СО; его количество равно:

доля углерода соответственно в СО2 (0,2728 кг/м3) и СО (0,4286 кг/м3) .

Как видим, согласно условию задачи, сожжено 1 кг углерода и весь сожжённый углерод превратился в газообразные продукты СО2 и СО.

А теперь проделанный расчет приблизим к практике, т.е. к горению не

чистого углерода, а топлива, в котором углерод составляет только какую-то

23

часть горючей части. Например, при спекании шихты используют топливо со следующим техническим анализом: С =80,75%; Vdaf =1,50%: Sобщ =1,75%; А

=16,00%.

(МС)т - количество углерода в топливе, кг; (МС)сг - количество сгоревшего углерода, кг

Стоит обратить внимание на следующее. В изложенном методе расчёта принято, что вода, поступившая в зону горения топлива с воздухом, не принимает участия в горении углерода и транзитом переходит в газ. Это не совсем так. В.И. Коротич хотя и осторожно, но допускает, что около 1% паров воды разлагается с помощью СО по реакции:

Н2О +СО = Н2 + СО2 + 41300 кДж. (2.28)

В.Г. Котов и А.В. Александров этой реакцией объясняют более высокое содержание CО2 в газах, отходящих из зоны горения топлива, чем это соответствует условиям горения. По их мнению по такой реакции может разлагаться до 50% парообразной воды. Однако надо иметь в виду, что по условиям термодинамики эта реакция активно идет в узком температурном интервале ― 400–800оС, т.е. в довольно узком температурном интервале времени, геометрические размеры которого небольшие (необходимо помнить,

что вся зона горения простирается по высоте слоя не более 50 мм). И еще одно обстоятельство: допустить, что водород в присутствии свободного кислорода может оказаться более устойчивым компонентом, чем СО, весьма опрометчиво. Так что наше допущение не должно существенно повлиять на достоверность рассчитанных показателей.

24

Примечание. В данном расчете горение азота не учитывается по причине незначительных количеств затрат кислорода и образующихся оксидов азота. Такой подход допустим с точки зрения конструктивных параметров газового тракта, включая выбор газового нагнетателя. Однако с позиции воздействия на окружающую среду не учитывать этого нельзя. В действительности же в отходящих газах всегда содержатся окислы азота, в частности количество диоксида азота по отношению СО в массовом исчислении составляет 1: (55–65).

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ СЕРЫ

Характер горения серы, как содержащейся в топливе, так и в других компонентах шихты, определяется видом и формой ее соединений. От этого зависит степень ее выгорания и состав продуктов реакций горения. Например,

интенсивное окисление сульфидной серы происходит при температуре 350–

400оС. Начиная с 500–600оC оба сульфида – пирит FeS2 и пирротин FeS

интенсивно разлагаются.

При слоевом горении топлива возможны следующие химические

реакции, выражающие превращения, испытываемые серой и ее соединениями:

соединения очень прочные. Их диссоциация наступает при высоких температурах ―≥1100оC.

25

Пример 1. Рассчитать расход воздуха, количество и состав

образующихся газов при сжигании серы, содержащейся в 1 кг (сух.) топлива.

Исходные условия:

1) технический анализ топлива, % (масс., сух.)

в минеральной –30,00%, при этом распределена поровну между FеS и FеS2.

коэффициенты 0,70 и 0,15, отражающие массовую долю серы в виде органической массы, FeS и FeS2, соответственно.

2. Расчет расхода воздуха и количества газа, образующегося при горении серы и её соединений, производим таким же методом, как это делалось по отношению к углероду. Для этого реакции горения серы запишем в форме,

4FeS + 7∙1,5 (O2 + 3,762·N2 + 0,048·H2O) = 2(Fe2O3)тв + 4SO2 + 7 (1,5 – 1)·O2 +

где коэффициенты 0,9 и 0,1 в (3.27) и (3.28) обозначают количество серы ( в

долях), сгорающей соответственно до SO2 и SO31; 0,01225 – количество

1 Коротич В.И. Основы теории и технологии подготовки сырья к доменной плавке: Учебн. для вузов. - М.:Металлургия, 1978.- 208 с.: илл.

27

органической серы, кг; М S , МFeS, М FeS2 и МFeS – мольные массы соответственно

S, FeS , FeS2, кмоль; n – число молей соответствующих реагирующих веществ

(стехиометрические коэффициенты в реакциях 3.13–3.16); N В – количество

количества воздуха с той разницей, что вместо количества молей воздуха ( N В )

подставляется количества молей газа ( N Г ).

Формулы для расчета количества газообразных продуктов горения по реакциям (3.13)–(3.16) имеют тот же вид, что (3.25) – (3.28). Разница заключается в численных значениях величин NГ.

Расчет количества газообразных продуктов горения по реакциям (3.13)–

(3.16):

Компонентный состав отходящих газов удобнее вести табличным способом.

28

Таблица 7

Количество и состав отходящих газов, образовавшихся от горения серы в

топливе (0,0175 кг/кг топлива)

соотнесены с 1 кг топлива.

В абсолютных значениях рассчитанных величин сокрыта особенность процессов горения серы и её соединений в спекаемом слое шихты. Она заключается в том, что количество израсходованного воздуха больше, чем образуется газа: 0,1064↔0,1039. Было бы полезно самостоятельно выявить причины этого явления. После того, как Вы четко определились в причинах указанного соотношения, можно обратиться к объяснению, изложенному ниже.

Соотношение VГ< VВ обусловлено тем, что по реакциям (3.13) и (3.16) часть кислорода, поступившего с воздухом, расходуется на образование двух молей Fe2O3. Разница между NВ и NГ в этих реакциях составляет 3 моля. Это есть тот кислород, который был израсходован на образование 2-х молей Fe2O3.

В реакции (3.14) это снижение обусловлено расходом кислорода воздуха на образование SO3. В этой реакции 3 моля кислорода образовали 2 моля SO3. Разница между NВ и NГ составляет 1 моль: 21,645 молей воздуха и 20,645 молей газа.

29

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГОРНИЯ ЛЕТУЧЕГО ВЕЩЕСТВА

Здесь следует указать на следующее обстоятельство. Летучие вещества твердого топлива начинают выделяться задолго до воспламенения топлива.

Более того, тот факт, что они не сгорают, а выносятся отходящими газами,

имеет отрицательные последствия для эксгаустеров, т.к. при охлаждении газа они оседают на лопатках ротора, благоприятствуя быстрому налипанию пыли.

Для предотвращения этого явления технологическими инструкциями рекомендуется не допускать снижения температуры отходящих газов в коллекторе ниже 140оС. Поэтому представленный расчет горения летучих

веществ имеет скорее методическую цель: лучше уметь рассчитывать, а

считать или не считать, это покажет ситуация на производстве.

Пример. Рассчитать параметры горения летучих веществ твёрдого топлива, технический анализ которого приведен выше: Vdaf =1,50%.

Состав летучих веществ примем равным составу летучих каменного угля,

Поскольку количество летучих веществ в топливе указывают в весовых единицах, то необходимо объёмные единицы перевести в массовые. Пересчет

осуществляется следующим образом. Сначала рассчитывают удельный вес летучего вещества

кг/н.м3.

Затем по формулам рассчитываем массовые доли компонентов летучего вещества:

30