2.2 Склад курсової роботи та вимоги до її виконання

У курсовій роботі необхідно:

виконати розрахунок теплового балансу промислової печі заданої конструкції, на підставі якого визначити величину термічного ККД печі, коефіцієнта використання палива, витрати газової суміші, яка подається в газопальниковий пристрій печі;

розробити схему використання вторинних енергоресурсів (теплоти вихідних газів) промислової печі для підвищення енергетичного ККД схеми та економії природного газового палива;

визначити чисельне значення енергетичного ККД після кожного ступеня з урахуванням розроблених мироприємств з енергозбереження.

Курсова робота повинна складатися із зброшурованої розрахунково-пояснювальної записки з накресленою на форматі А3 або А4 тепловою схемою утилізації вторинних енергоресурсів.

Розділ 3 горіння газів

3.1. Матеріальний баланс горіння газів

В основі розрахунків матеріального і теплового балансів горіння будь-яких видів палива лежать стехіометричні термохімічні рівняння, які можна представити у вигляді рівняння матеріального балансу горіння палива

, (3.1)

де , - кількість вихідних і кінцевих речовин відповідно, молі;

, - стехіометричні коефіцієнти для вихідних і кінцевих продуктів відповідно.

Рівняння в такій формі може бути записане на підставі закону збереження маси реагуючих речовин і закону простих кратних співвідношень молей або обсягів реагуючих речовин.

В якості окислювача при спалюванні газу зазвичай застосовують повітря, рідше - чистий атомарний кисень. Об'ємний склад сухого повітря для всіх теплотехнічних розрахунків приймається наступним: кисню - 21%, азоту - 79%. Отже, 1 кисню міститься у 100/21 - 4,76 повітря, або на 1 кисню припадає 79/21 = 3,76 азоту. Якщо врахувати, що 1 кмоль будь-якого газу при нормальних фізичних умовах t = 0, Р = 760 мм рт. ст. займає приблизно однаковий об’єм, реакції горіння простих газів в повітрі можуть бути виражені наступними рівняннями:

З цих співвідношень можна знайти теоретичну потребу в кисні і повітрі, а також кількість і склад продуктів горіння окремих видів газів при повному згорянні в теоретичній кількості повітря.

До складу реакцій горіння входять всі компоненти (складові) повітря: кисень і азот. У реакцію горіння вступає тільки кисень, який взаємодіє з пальним газом як окислювач. Азот є баластом, у горінні не бере участь і горіння не підтримує, до того ж при високих температурах, що розвиваються в зоні горіння, розкладається, утворюючи канцерогенні речовини ( і ).

Для визначення кількості та складу компонентів продуктів згоряння, що утворюються при повному згорянні газового палива, складають матеріальний баланс горіння газу.

Горінням називають хімічну реакцію з'єднання горючих компонентів з киснем, яка протікає порівняно швидко в часі, супроводжується інтенсивним виділенням теплоти і різким підвищенням температури продуктів згоряння. Реакції горіння описуються стехіометричним рівняннями, які характеризують якісно та кількісно вступаючі в реакцію і утворені в її результаті речовини. Загальне рівняння реакції горіння будь-якого вуглеводню записується у вигляді рівняння

, (3.2)

де m, n - число атомів вуглецю і водню в молекулі, шт.;

Q - тепловий ефект реакції, або теплота, що виділилася в результаті згоряння, / (/, /).

Теплотою згоряння (тепловим ефектом) називається кількість теплоти, що виділиться в результаті повного згоряння 1 кмоль, 1 кг або 1 газу при нормальних фізичних умовах.

Розрізняють вищу і нижчу теплоту згоряння палива. Вища теплота згоряння включає в себе величину прихованої теплоти конденсації водяної пари, що містяться в продуктах згорання. Зазвичай при спалюванні газового палива водяна пара, як правило, не конденсується, а видаляється разом з іншими продуктами згоряння при температурі 130 150, тому технічні розрахунки зазвичай ведуть за нижчою теплотою згоряння, тобто без урахування прихованої теплоти конденсації водяної пари, що становить приблизно 2260 /. Однак якщо за тепловою установкою планується установка пристроїв, здатних відібрати приховану теплоту конденсації водяної пари, що містяться в продуктах згорання, з подальшим її корисним використанням, то розрахунок необхідно виконувати за вищою теплотою згоряння палива.

Вища і нижча теплота згоряння газових сумішей чисельно дорівнює сумі добутків відповідно вищої або нижчої теплоти згоряння кожного компонента, що входить до складу газової суміші, на його об'ємну, масову або молярну частку:

(3.3)

де , ,..., - об'ємні частки компонентів, що входять до складу газової суміші, / ;

, ,..., - вища або нижча теплота згоряння компонентів газової суміші, /.

Нижча теплота згоряння складних газових сумішей визначається за формулою

(3.4)

де - нижча теплота згоряння i-го компонента, що входить до складу газової суміші, /. Знаходиться за таблицями довідкової літератури або за табл. 5 дод. II.

Вища теплота згоряння складних газових сумішей розраховується за формулою

(3.5)

де - вища теплота згоряння i-го компонента, що входить до складу газової суміші, /.Визначається за таблицями довідкової літератури або за табл. 5 дод. II.

Нижча і вища теплота згоряння основних компонентів, що входять до складу газових сумішей, наведено в табл. 5 дод. II.

У практичних розрахунках обчислення нижчої і вищої теплоти згоряння природних газових сумішей, / , можна виконувати за наступними виразами:

; (3.6)

, (3.7)

де , , і т. д. - роцентний вміст компонентів, що входять в газову суміш;

,_,, ,…-об'ємні частки компонентів, що входять у суміш, /;

, , , ... - вища теплота згорання компонентів, що входять до складу газової суміші, /;

, , ,... - нижча теплота згорання компонентів, що входять до складу газової суміші, /.

Коефіцієнти, що стоять перед процентним вмістом компонентів, є табличними значеннями вищої та нижчої теплоти згоряння компонентів, /.

Кисень для спалювання газового палива зазвичай подається у складі повітря.

Потреби в кисні повітря при спалюванні складних газових сумішей визначаються на підставі теоретичної потреби в кисні окремих компонентів, що входять до складу суміші, /:

, (3.8)

де - об'ємні частки i-х компонентів, що входять до складу газової суміші, /;

–- теоретична потреба i-го компонента в атомарному кисні, необхідному для повного згоряння компонента згідно з його хімічної реакції горіння, /. Теоретичну потребу в кисні основних компонентів, що входять до складу природних газових сумішей, наведено в табл. 6 дод. II;

4,76 - об'єм повітря, в якому міститься 1 кисню, / .

Рівняння (3.8) для більшості природних газових сумішей можна представити в розгорнутому вигляді:

У практичних розрахунках обчислення теоретичної потреби в О₂ газових сумішей можна проводити за формулою:

, (3.9)

де коефіцієнти, які стоять перед компонентами газової суміші, це теоретична потреба в кисні компонентів суміші, / ;

, , , ... - процентний вміст компонентів, що входять до складу газової суміші.

Теоретичний об'єм вологого повітря, , /, більше теоретичного об'єму сухого повітря на величину обсягу, займаного наявними в ньому водяними парами, /:

(3.10)

де - теоретичний об'єм сухого повітря, необхідного для повного згоряння 1 м³ газової суміші, /;

- вологовміст атмосферного повітря, г / кг.

Дійсна потреба в повітрі, , /, внаслідок недосконалості змішування пального газу і окислювача в процесі горіння приймається дещо більшої теоретичної (на величину):

(3.11)

де - коефіцієнт надлишку повітря, який для практично застосовуваних пальників повинен відповідати вимогам ГОСТ. У реальних умовах при спалюванні газу коефіцієнт завжди повинен бути більше 1, тому що в протилежному випадку неминучі хімічна неповнота згоряння і викид шкідливих речовин в атмосферу. Виняток становлять окремі процеси, для проходження яких необхідно створення в нагрівальних камерах печей нейтрального або малокислого середовища.

Обсяги окремих компонентів продуктів згоряння газових сумішей можуть бути визначені за наведеними далі формулами.

Обсяг діоксиду вуглецю, який міститься в продуктах згорання обчислюється за формулою, / :

(3.12)

Обсяг водяної пари, яка містяться в продуктах згорання,/, визначається за формулою:

(3.13)

Обсяг азоту, що міститься в продуктах згорання, /, визначається за формулою:

(3.14)

Обсяг кисню, який міститься в продуктах згоряння, /, визначається за формулою

(3.15)

де , , , - обсяги компонентів , , , , /, що містяться в продуктах згоряння;

, , ...- процентний вміст окремих компонентів, що входять до складу газової суміші;

, , - вологовміст поданого на горіння повітря і газу, г / кг;

- коефіцієнт надлишку повітря.

Повний обсяг вологих продуктів згоряння, / , визначається за формулою

(3.16)