2 Методические указания

2.1 Расчет горения топлива и радиационных характеристик продуктов сгорания

Цель расчета – определение объема воздуха, необходимого для горения топлива, а также объема и состава продуктов сгорания топлива, расчет степени черноты газа при разных коэффициентах расхода воздуха и температурах горения.

2.1.1 Выбор условий сжигания топлива для сушки и разогрева сталеразливочного ковша

Сгорание топлива может быть полным и неполным. Полное сжигание осуществляется при коэффициенте расхода воздуха >1, неполное при <1. В случае горения топлива основным процессом является соединение горючих составляющих топлив с кислородом (С+О₂; Н₂+О₂; S+О₂).

Газообразное топливо в сравнении с твердым и жидким имеет ряд преимуществ:

• лучшее смешение топлива с окислителем (кислородом или воздухом), позволяющее производить процесс сжигания с минимальным коэффициентом расхода воздуха;

• легкость транспортировки к потребителю;

• простота обслуживания.

Природный газ. Основная горючая составляющая природного газа метан СН₄, содержание которого 92…98%. Остальные горючие составляющие это непредельные углеводороды С_mН_n. Теплота сгорания природного газа 33…38 МДж/м³, плотность 0,7…0,8 кг/м³.

Коксовальный газ. Является побочным продуктом коксования. Причем используется обратный коксовальный газ, т.е. газ из которого на коксо-химическом комбинате отобрали ряд ценных компонентов (бензольные углеводороды, аммиак, сероводород и др.). В состав коксовального газа входят горючие составляющие (в зависимости от технологии коксования): водород Н₂ – 50…60%, метан СН₄ – 20…28 % , а также С_mН_n до 3% и СО до 8%. Теплота сгорания 16…18 МДж/м³.

Доменный (колошниковый) газ. Доменный газ является побочным продуктом в процессе получения чугуна в доменных печах. На 1 кг чугуна образуется 3 м³ доменного газа. Если металлургическое предприятие имеет полный металлургический цикл, то до 40% топливного баланса покрывается за счет доменного газа. Примерный состав доменного газа: 25…31% СО, 2…3% Н₂, 9…14% СО₂, 0,3…0,5% СН₄, 57…58% N₂. Теплота сгорания доменного газа 3,5…4,2 МДж/м³.

Для характеристики теплового эффекта реакции сгорания топлива используется понятие теплоты сгорания топлива. Теплота сгорания топлива – это количество теплоты, выделяющегося при сжигании единицы топлива (кг, м³). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

Высшая теплота сгорания представляет собой количество теплоты, выделяющегося при полном сгорании 1 кг или 1 м³ топлива, при условии, что продукты сгорания охлаждены до 0⁰С, т.е. выделилась скрытая теплота парообразования (2100 кДж/кг) и теплота, затраченная на нагрев воды до температуры 100С (400 кДж/кг).

Низшая теплота сгорания – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива (1 кг, 1 м³) при условии, что продукты сгорания уходят из установки с температурой больше 100⁰С (т.е. теряется скрытая теплота парообразования и теплота нагрева воды до 100⁰С).

Температура горения топлива – это температура, которую приобретают продукты сгорания за счет теплоты, выделившейся при сгорании топлива. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения.

Калориметрическая температура горения (t_к) – это температура, которую приобретают продукты сгорания при условии, что вся выделившаяся теплота при полном сгорании единицы топлива пошла на нагрев только продуктов сгорания.

Теоретическая температура горения (t_т) – это температура, которую приобретают продукты сгорания топлива с теоретически необходимым расходом воздуха, при условии, что вся теплота затрачивается на нагрев продуктов сгорания и протекание эндотермических реакций диссоциации, протекающих при высоких температурах (выше 1000 ⁰С):

Действительная температура горения (t_д) ‑ это температура, которую приобретают продукты сгорания топлива при сжигании его с любым коэффициентом расхода воздуха с учетом теплопотерь из зоны горения. Действительная температура определяется из выражения

t_д=η_пир·t_к,

где η_пир – пирометрический коэффициент, зависящий от температурного уровня процесса.

Расчет горения топлива является основой при проектировании теплотехнических установок и включает в себя следующие разделы:

1. определение теплоты сгорания топлива;

2. определение теоретического и действительного количества кислородоносителя (воздуха) для сжигания единицы топлива;

3. определение количества продуктов сгорания;

4. определение температуры горения топлива.

Расчет горения топлива ведется на основании реакций окисления, по которым определяют необходимое количество кислородоносителя, получаемое количество продуктов сгорания (дыма) и их состав.

Горючие составляющие газообразных топлив окисляются по следующим стехиометрическим уравнениям [1]:

Рабочий соста газов определяется как произведение каждого компонента сухого топлива и коэффициента пересчета, например СО₂=КСО₂^сух. Коэффициент пересчета на влажный газ:

(1)

где W – влажность топлива, г/м³.

Тогда содержание Н₂О во влажном газе определяется по формуле:

Н

(2)

(4)

₂О=0,1242WК_с-р, %.

Сумма всех компонентов влажного топлива должна составлять 100%.

По соответствующим уравнениям горения можно определить количество воздуха на горение того или иного горючего компонента.

Низшая теплота сгорания газообразного топлива определяется по формуле:

(3)

Определение теоретически необходимого количества кислородоносителя производится по формуле:

где 0,5;0,5;2 и т.д. коэффициенты, стоящие перед кислородом в стехиометрических уравнениях горения соответствующих компонентов топлива;

– поправка на влажность;

– влажность воздуха в зависимости от температуры, ;

, - содержание азота и кислорода в кислородоносителе; в необогащенном сухом воздухе =79%, =21%.

Влагосодержание воздуха определяется в зависимости от температуры воздуха по таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Зависимость влажности воздуха от температуры

t, С	0	10	20	30	40
dв, г/м3	4,8	9,8	18,9	35,1	63,1

Состав влажного кислородоносителя (воздуха) определяется через произведение компонентов сухого воздуха и коэффициента пересчета на влажный воздух:

К

(5)

_с-в=

тогда состав влажного воздуха определяется по формулам:

N₂=К_с-в·N ; (6)

O₂=К_с-в·O ; (7)

Н

(8)

(9)

(10)

₂О=0,1242·d_в·К_с-в, %.

Действительное количество воздуха определяется из выражения:

,

где  - коэффициент расхода воздуха.

О

бъем продуктов полного сгорания дыма определяется по формуле:

Объем составляющих продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы газообразного топлива, определяется по уравнениям реакций горения:

– углекислый газ:

(11)

(12)

(13)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

, м³/м³

– водяные пары:

, м³/м³

– оксиды серы:

, м³/м³

– азот:

, м³/м³ (14)

– кислород:

, м³/м³, (15)

где О = 21% (в необогащенном кислородом воздухе)

Состав дыма определяется по следующим формулам:

Суммарный состав продуктов сгорания должен равняться 100%. Если сумма отличается от 100 % не более, чем на 0,5%, то ее необходимо скорректировать. Коррекция обычно производится по компоненту, содержание которого в продуктах сгорания максимально. В случае, если расчет выполняется при коэффициенте расхода воздуха =1, объем продуктов сгорания принято обозначать как , а содержание О₂=0%.