Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

диск по ИЭТ / Текст

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

31.03.2015

Размер:

940.36 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 42 3 4 > Следующая >>>

Посредством решения этой задачи можно контролировать правильность результатов газового анализа: если удельный выход какоголибо компонента продуктов горения получился отрицательным, то данные газового анализа неверны.

Вариант 4. Газификация твердого топлива

Процессы газификации относятся к группе процессов термохимической переработки твердого топлива в газообразное.

Постановка задачи:

•исходные данные – тип газификации (паровая, пароуглекислотная и т.п.); состав рабочей массы твердого топлива; состав окислителя (кислородоазотной смеси); коэффициент расхода окислителя; удельный расход пара

mпар, кг/(кг угля); давление в газогенераторе pΣ = pгг , ата; температура генераторного газа T гг, К;

•искомые величины – удельный выход генераторного газа V гг , м3 /(кг угля); процентный состав генераторного газа;

•допущения:

а) все компоненты рабочей массы твердого топлива, кроме золы, полностью участвуют в процессе образования генераторного газа. Следовательно, в твердых отходах технологического процесса газификации содержится только зола исходного топлива; б) компоненты генераторного газа находятся в состоянии

термодинамического равновесия, определяемого равновесием двух химических реакций: реакции водяного газа (1.9) и паровой конверсии метана

CH4 +H2O ↔ CO +3H2 .

(1.12)

Рассмотрим особенности формирования системы уравнений, отличающие данную задачу от предыдущих.

Первая особенность: кислород и водород поступают в зону реагирования не только с топливом и окислителем (кислородо-азотной смесью), но и с паром, что учитывается последними слагаемыми в приведенных ниже формулах

22,4

Оr

W r

10−3

22,4

исх =

+ 2K

V +

ок

m ;

V О

100

ок

ρвп

ок

пар

22,4

Нr +

W r

10−3

22,4

исх =

+ 2

ок

m .

V Н

100

ρвп

ок

пар

Именно эти выражения используются в уравнениях (1.2), (1.3). Вторая особенность: система пополняется уравнением закона

действующих масс для реакции (1.12)

= K р2 (Tгг ).

(1.13а)

pCН4 pH2O

Парциальные давления и удельные выходы компонентов связаны

равенством

p j =

pгг ,

гг

с учетом которого уравнение (1.13а) приводится к виду

V COV 3H

= K р2 (Tгг ).

гг

(1.13б)

V CН4 V H2O

гг

Константа равновесия реакции паровой конверсии метана вычисляется

по формуле

K CдисН4 K Hдис2O

K р2 =

дис

(

дис)3

K CO

K H2

Программная реализация решения представлена в задаче 1.7 для варианта паровоздушного дутья, обогащенного кислородом.

Используя векторные функции (см. задачу 1.5), можно модифицировать данную задачу для исследования и графической иллюстрации различных зависимостей, например,

V гг = f (mпар, pгг, T гг) .

Вариант 5. Паровая конверсия природного газа

В результате термохимической переработки (например, паровой конверсии) природного газа получают конвертированный газ (синтез-газ). Технологическое использование синтез-газа широко реализовано в системах производства водорода. Перспективным является энергетическое использование синтез-газа в системах термохимической регенерации тепловых отходов высокотемпературных установок, что обеспечивает существенный энергосберегающий эффект.

Постановка задачи расчета материального баланса процесса паровой конверсии природного газа:

• исходные данные – состав газового топлива; удельный расход пара V пар,

м3 пара/(м3 топлива); давление синтез-газа pΣ , ата; температура синтезгаза T сг , К;

•искомые величины – удельный выход синтез-газа V сг , м3 /(м3 топлива); процентный состав синтез-газа;

•допущение – компоненты синтез-газа находятся в состоянии термодинамического равновесия, определяемого равновесием двух

химических реакций: реакции водяного газа (1.9) и паровой конверсии метана (1.12).

Система уравнений для расчета материального баланса процесса представлена в задаче 1.8.

Программная реализация задачи может быть использована в расчетном анализе различных тепловых схем с термохимической регенерацией теплоты отходящих газов. Два варианта таких схем, прошедшие опытнопромышленную апробацию, представлены на рис. 1.1 и 1.2.

В схеме с паровой конверсией (рис. 1.1) питательная вода превращается в пар, смешивается с природным газом и после подогрева поступает в реактор-теплообменник РТ. Получающийся в результате конверсии синтез-газ используется в ТТР в качестве источника энергии. В данной схеме отходящие газы разделяются на два параллельных потока, что обеспечивает возможность высокотемпературного подогрева как синтез-газа, так и окислителя – кислородо-азотной смеси.

Рис. 1.1. Тепловая схема установки с паровой конверсией природного газа:

ТТР – теплотехнологический реактор; РТ – реактор-теплообменник; ПО – подогреватель окислителя; ППГС – подогреватель парогазовой смеси; И – испаритель; им – исходный материал; тп – технологический продукт; сг – синтез-газ;

го – горячий окислитель; хо – холодный окислитель; к – кислород; в – воздух; ог – отходящие газы; уг1, уг2 – уходящие газы (первый и второй потоки); пгс – парогазовая смесь; пг – природный газ; вп – водяной пар; пв – питательная вода

В схеме на рис. 1.2 в реактор-теплообменник подается смесь природного газа с частью потока уходящих газов, содержащих H2O и CO2 ,

поэтому природный газ подвергается пароуглекислотной конверсии.

Рис. 1.2. Тепловая схема установки с пароуглекислотной конверсией природного газа

Можно принять допущение, что в обоих упомянутых вариантах конверсии равновесный состав синтез-газа определяется равновесием реакций (1.9) и (1.12). Тогда расчет материального баланса процесса конверсии для обеих тепловых схем – как на рис. 1.1, так и на рис.1.2 – выполняется на основе системы уравнений, представленной в задаче 1.8. Специфика конкретной тепловой схемы находит отражение в формулах для

V Cисх, V исхH , V исхO , V исхN .

Материальный баланс технологического процесса

Теплотехнологический процесс представляет собой органическое единство процесса генерации теплоты и технологического процесса превращения исходного материала в продукт. Вследствие этого в ряде случаев требуется решать разнообразные задачи по расчету материального баланса технологического процесса. В качестве примера рассмотрим процесс варки алюмоборосиликатного стекла (см. задачу 1.9).

Формулировка задачи: определить удельные расходы компонентов шихты и суммарный удельный расход шихты для получения стекломассы состава, заданного технологическим регламентом.

Исходные данные:

1) регламентный состав стекломассы, заданный процентным содержанием оксидов: SiO2рег = 54,5%; Al2O3рег = 14,5%; B2O3рег = 8,5%;

CaO рег =22,0%; Na2Oрег = 0,5%;

2)перечень компонентов стекольной шихты и состав этих компонентов

ввиде процентного содержания оксидов и потерь при прокаливании

(табл. 1.2). Полагаем, что потери при прокаливании («п.п.п.» в табл. 1.2), образующие шихтовые газы, состоят из CO2 .

Таблица 1.2.

Перечень и состав компонентов шихты

Компонент			Процентное содержание k-го оксида в i-м компоненте
Компонент	SiO	2	Al	2	O	3	B	2	O	3	CaO	Na	2	O	Fe O	4	п.п.п.
и		2		2		3		2		3			2		3	4	(k = 6)	Сумма
и	(k = 0)		(k = 1)				(k = 2)				(k = 3)	(k = 4)			(k = 5)		(k = 6)	Сумма
его индекс	(k = 0)		(k = 1)				(k = 2)				(k = 3)	(k = 4)			(k = 5)
Песок	99,48		0,14					–			0,10	0,15			0,03		0,10	100,00
(i = 0)
Глинозем	0,30		99,20					–			0,10	–			0,10		0,30	100,00
(i = 1)
Борат	1,00		0,60				46,50				39,50	–			0,40		12,00	100,00
кальция
(i = 2)
Доломит	1,44		0,50					–			50,87	–			0,50		46,69	100,00
(i = 3)

Искомые величины – удельные расходы i-х компонентов шихты Mi , кг i-го компонента/(100 кг стекломассы), i = 0, 1, 2, 3, а также удельный массовый и объемный выход шихтовых газов – соответственно Mшг , кг/(100

кг стекломассы), и Vшг , м3 /(100 кг стекломассы). Индексация компонентов

пояснена в табл. 1.2.

Для определения четырех неизвестных Mi составляется система из

четырех уравнений материального баланса оксидов. Так как в регламентном составе стекла количество оксидов больше четырех, то для формирования уравнений выбираются оксиды, массовая доля которых в составе стекла

наибольшая: SiO2,Al2O3,B2O3,CaO .

Пусть

Dk = ∑Ck,iMi0	–	(1.13)
3

i=0

суммарный удельный расход k-го оксида в составе шихты, кг оксида/(100 кг стекломассы), где Ck ,i – массовая доля k-го оксида в i-м компоненте,

Mi0 – расчетный (приближенный) удельный расход i-го компонента шихты.

Здесь и далее верхний индекс «0» означает, что это не окончательное значение данной величины, а нулевое приближение.

Согласно (1.13) и табл. 1.2,	D4 – удельный расход	Na2O	, D5 –
удельный расход Fe3O4 . Матрица	Ck ,i составляется на	основе	данных
табл. 1.2. В итоге система уравнений принимает вид			(1.14)
D0 =SiO2рег , D1 =Al2O3рег , D2 =B2O3рег , D3 =CaOрег .			(1.14)

По результатам ее решения на основе найденных Mi0 вычисляются (см. пункт 3.1 текста задачи) расчетный удельный выход стекломассы

Mстм0 = ∑ Dk ,

k=0

расчетный удельный массовый выход шихтовых газов

M 0

= D ,

шг

а также фактический состав стекла (см. пункт 3.2.1)

SiOф =SiOрег

100

, Al Oф

=Al Oрег

100

Mстм0

2 3

CaOф =CaOрег

100

, Na

Oф

= D

100

, Fe Oф

= D

100

Mстм0

4 Mстм0

3 4

5 Mстм0

Если Mстм0 ≠100, то вычисленные расходы компонентов и шихтовых газов следует откорректировать. Окончательные значения Mi и Mшг определяются (см. пункт 3.2.2) по формулам

Mi =Mi0	100	,	i =0,1,2,3; Mшг =Mшг0	100	.
	Mстм0
				Mстм0
Фактический	состав		стекла пересчитывать	не надо, так как при

переходе от Mi0 к Mi изменяется суммарный расход шихты

Mшихты =i∑=0Mi ,

а соотношения между компонентами шихты не меняются. Следовательно, не меняется и состав стекломассы.

Наличие шихтовых газов следует учитывать при расчете теплового баланса стекловаренной установки, для чего может потребоваться величина

Vшг = Mшг ρшг –

удельного объемного выхода шихтовых газов, м3 /(100 кг стекломассы), где ρшг – плотность шихтовых газов, равная в силу принятого допущения

плотности CO2 .

2. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Температурой горения топлива tгор называется температура, которую

приобретают газообразные продукты сгорания в результате нагрева за счет теплоты, выделяемой в процессе окисления (горения) горючих компонентов топлива.

В теплотехнике в качестве температурных характеристик процесса полного горения топлива используются три разновидности температуры горения: калориметрическая температура горения tкалор ,

жаропроизводительность топлива tжар , теоретическая температура горения

tтеор .

Для газообразного и жидкого топлива температура tгор определяется из

уравнения теплового баланса процесса горения 1м3 (1 кг) топлива

Qr +c

+V c

∑V пгc

ок

гор

) t

гор

(2.1)

ок ок

k k

дис

при адиабатных условиях, т. е. при отсутствии тепловых потерь через стенки камеры сгорания. Здесь Qir – низшая теплота сгорания топлива; cт – удельная теплоемкость топлива (при температуре топлива tт); Vок,cок – удельный расход и удельная теплоемкость окислителя (при температуре окислителя

tок ); Vkпг –	удельные выходы компонентов продуктов горения; ck (t)	–
удельные	теплоемкости компонентов продуктов горения, зависящие	от

температуры; Qдис– удельный расход теплоты на диссоциацию компонентов продуктов горения.

Величины Vок , Vkпг находятся из уравнений материального баланса процесса горения (см. главу 1). В общем случае для определения tгор следует

решать систему, включающую в себя уравнение (2.1) и уравнения материального баланса процесса горения.

Жаропроизводительность топлива

Понятие жаропроизводительности топлива tжар используется для

сопоставления топлив по температурам, развиваемым ими в процессе горения, что имеет исключительно большое значение при выборе вида источника энергии. Величина tжар определяется из уравнения (2.1) при

следующих дополнительных условиях:

•окислитель – атмосферный воздух ( KO2 = 0,21);

•коэффициент расхода окислителя α = 1; горение топлива – полное;

•tт= tок = 0°С;

•диссоциация компонентов продуктов горения отсутствует: Qдис= 0.

Калориметрическая температура горения

Калориметрическая температура горения tкалор является корнем

уравнения (2.1) при дополнительных условиях:

• α ≥ 1; горение топлива – полное;

• диссоциация компонентов продуктов горения отсутствует: Qдис= 0.

Теоретическая температура горения

Расчет теоретической температуры горения топлива tтеор выполняется

с использованием уравнения (2.1) без дополнительных условий, т.е. по сравнению с расчетом tкалор величина α может быть как больше, так и

меньше 1, а также снимается упрощающее допущение Qдис= 0. Следовательно, из трех рассматриваемых разновидностей tгор величина tтеор – наиболее достоверная оценка температурного уровня процесса

горения. Однако для расчета величины Qдис необходимо знание

характеристик процесса диссоциации компонентов продуктов горения.

При сжигании углеводородного топлива в продуктах горения при температурах начиная с 1500 – 1600°С появляются оксид углерода CО и

водород H2 . Они образуются в результате диссоциации диоксида углерода и водяного пара по реакциям

CO2 ↔CO +0,5O2 ;	(2.2)
H2O ↔H2 +0,5O2 ;	(2.3)
H2O ↔OH +0,5H2 .	(2.4)
С увеличением температуры степень диссоциации диоксида углерода
CO2 и водяного пара H2O возрастает вследствие того, что	реакции (2.2)	и

(2.3) являются эндотермическими. Уменьшение концентрации (парциального давления) указанных газов в продуктах горения также приводит к увеличению степени диссоциации, поскольку диссоциация сопровождается увеличением объема. Эти утверждения следуют из правила Ле-Шателье.

Заметная диссоциация диоксида углерода начинается при температурах выше 1500°С, а водяного пара – выше 1600°С.

При температуре выше 2000°С становится заметным окисление молекулярного азота, которое протекает по реакции

N2 +O2 ↔2 NO.	(2.5)
При температурах выше 2200°С диссоциации подвергаются
молекулярный кислород, водород и азот:	(2.6)
O2 ↔O +O; N2 ↔ N +N; Н2 ↔Н+H.

Таким образом, для учета процессов высокотемпературной диссоциации при температурах до 2000°С можно ограничиться реакциями (2.2) – (2.4), а выше 2200°С следует учитывать всю совокупность реакций (2.2) – (2.6). В последнем случае продукты горения могут содержать 11

компонентов: CO2, CO, H2O, H2,N2,O2,OH, H, O, N, NO.

Рассмотрим программную реализацию расчета температур горения в среде Mathcad.

Процедура расчета калориметрической температуры горения газообразного топлива при tт= 0°С иллюстрируется задачей 2.1.

Температурные зависимости удельных теплоемкостей ci (t) для компонентов

продуктов горения представлены в табличном виде и размещены во внешнем файле capacity.inf . Посредством оператора READPRN этот файл считывается в матрицу data (пункт 1.6 текста задачи). Для расчета удельных теплоемкостей при произвольной температуре t используется Mathcadфункция линейной интерполяции linterp(X, Y, t), где X, Y – векторы значений аргумента и функции в узлах интерполяции.

Расчет материального баланса процесса горения (пункт 2 текста задачи) заимствован из задачи 1.3. Отметим особенность решаемой задачи:

величины V

V пг не зависят от искомой температуры, поэтому в блок

ок

Given…Find включено единственное уравнение (2.1).

Для рассматриваемых условий уравнение (2.1) приводится к виду

+V c

ок

=V c (t

калор

;

ок ок

пг пг

V = ∑V пг;

калор

)= ∑V пгc (t

калор

)

пг

и решается в пункте 4. Данная задача легко модифицируется для расчета жаропроизводительности топлива tжар : достаточно в исходных данных

задать KO2 = 0,21; α = 1; tок = 0°С .

Расчет теоретической температуры горения газообразного топлива при tт= 0°С выполнен в задаче 2.2 при следующих допущениях:

•в продуктах горения – шесть компонентов: CO2, CO,rH2O, H2,N2,O2 . В задаче они представлены как компоненты вектора V (пункт 4.1 текста задачи);

•компоненты продуктов горения находятся в состоянии термодинамического равновесия, определяемого двумя химическими реакциями: реакцией (2.2) диссоциации CO2 и реакцией (2.3)

диссоциации H2O . При постановке задачи реакция (2.3) заменена на реакцию водяного газа (1.9). Такая замена правомерна, так как уравнение (1.9) получается вычитанием (2.2) из (2.3), т.е. является линейной комбинацией уравнений (2.2) и (2.3).

Уравнение закона действующих масс для реакции (2.2)

pCO pО2 = K р3(tтеор + 273)

pCO2

с использованием соотношений (1.9б) приводится к виду

V COпг V Oпг2		pΣ = K р3(tтеор + 273),	(2.7)
V COпг	2	V пг
где pΣ – общее давление		в системе, ата (см. главу 1). Следовательно,
величину pΣ необходимо вводить в состав исходных данных.

В отличие от задачи 2.2, состав продуктов горения зависит от искомой температуры, поэтому в блок Given…Find заключена система уравнений, в которую входят:

•четыре уравнения материального баланса химических элементов;

•уравнение нормировки Vпг = ∑Vkпг ;

• два уравнения закона действующих масс: (2.7) , а также (1.10) в виде

V COпг	2 V пгH2	= Kр1(tтеор + 273);
V пгH2O V COпг

• уравнение теплового баланса процесса горения (2.1), в котором

Qдис =V пгCO QCO +V пгH2 QH2 .

Здесь QCO , QH2 – теплоты сгорания CO и H2 соответственно.

Посредством задачи 2.3 можно сопоставить величины калориметрической и теоретической температуры горения в области α ≥ 1. Это открывает возможности исследования в рамках учебного процесса зависимости величин tкалор , tтеор , ∆t =tкалор −tтеор от различных факторов: давления в системе, температуры и состава окислителя.

3. ТЕПЛОВЫЕ БАЛАНСЫ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ТТУ

Теплотехнологическая установка (ТТУ) – это совокупность теплотехнологического реактора (ТТР) и эксплуатационно связанного с ним теплотехнического оборудования, обеспечивающая реализацию данного теплотехнологического процесса и работающая в едином технологическом ритме. Например, металлонагревательная ТТУ, показанная на рис. 3.1, включает в себя ТТР – нагревательную печь – и регенеративный подогреватель окислителя ПО, установленный в потоке отходящих газов. Тепловые схемы других установок показаны на рис. 1.1 и 1.2.

<<< < Предыдущая 12 / 42 3 4 > Следующая >>>