Расчет объема дымовых газов при сжигании природного газа

Расчет объема дымовых газов при сжигании природного газа

Добрый день, коллеги! Знание объема продуктов сгорания, объема подаваемого на горение воздуха бывает важным при решении разных задач, связанных с сжиганием как твердого и жидкого, так и газообразного топлива. Например: не получится выполнить подбор вентилятора дымососа без знания объема продуктов сгорания топлива, расчет сечение вентиляционной решетки для притока воздуха на горение в котельную не выполнить без знания объема воздуха подаваемого на горение. Экологам эти расчеты необходимы при инвентаризации выбросов загрязняющих веществ.

Чтобы упростить эти расчеты была разработана программа в Excel, позволяющая выполнять сам расчет и подготовить отчет по расчету в Word-е. В основе расчета лежит «Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час», утвержденная Государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды 09.07.1999 года (далее — Методика).

Итак, начнем. Методика расчета изложена в Приложении А вышеуказанной Методики.

Объем сухих дымовых газов при нормальных условиях рассчитывается по уравнению:

где V 0 _r,V 0 и V 0 _H2O – соответственно объемы воздуха, дымовых газов и водяных паров при стехиометрическом сжигании одного килограмма (1 куб.нм) топлива, куб.нм/кг (куб.нм/куб.нм);

α – коэффициент избытка воздуха, доли от единицы. Стехиометрическим называется сжигание топлива, при котором на горение подается ровно то количества воздуха, которое требуется для полного сжигания топлива. Если α > 1,0, то это избыток воздуха, а если α < 1,0 , то воздуха не хватает и не все топливо сгорает и его часть уносится продуктами сгорания.

Сжигание твердого и жидкого топлива

Для твердого и жидкого топлива расчет выполняют по химическому составу сжигаемого топлива по формулам:

V 0 = 0,0889×(C r + 0,75×S r _ор+к) + 0,265×H r – 0,0333×O r

V 0 _H2O = 0,111×H r + 0,0124×W r + 0,0161×V 0

V 0 _r = 0,01866×(C r + 0,375×S r _ор+к) + 0,79×V 0 + 0,008×N r + V 0 _H2O

где C r , S r _ор+к, H r , N r , O r – соответственно содержание углерода, серы (органической и колчеданной), водорода, азота и кислорода в рабочей массе топлива, %;

W r – влажность рабочей массы топлива, %.

Примечание:
Сумма содержания компонентов топлива, задаваемая при расчете не должна принимать значение более 100,0%, то есть (C r + S r _ор+к + H r + N r + O r + W r ) < 100,0

Сжигание газообразного топлива

Для газообразного топлива расчет выполняют по по формулам:

где: СО, СО₂, Н₂, Н₂S, C_mH_n, N₂, О₂ — соответственно, содержание оксида углерода, диоксида углерода, водорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в 1 куб. м. сухого газа, %;

m и n — число атомов углерода и водорода соответственно;

d_г.тл – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 куб.м. сухого газа, г/куб.м.

Чтобы проверить правильность введения состава газообразного топлива следует выполнить определенные расчеты. Если влагосодержание газа равно нулю (d_г.тл = 0,0) , то достаточно просуммировать содержание содержание оксида углерода, диоксида углерода, водорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в 1 куб. м. сухого газа в процентах ( СО, СО₂, Н₂, Н₂S, C_mH_n, N₂, О₂) . Если эта сумма равна 100,0% , то состав газа указан правильно.

Если влагосодержание газа не равно нулю (d_г.тл <> 0,0) , то прежде чем просуммировать содержание всех компонентов газа, нужно их пересчитать с учетом содержания влаги, так как содержание компонентов СО, СО₂, Н₂, Н₂S, C_mH_n, N₂, О₂ обычно дается в на 1 куб.м. сухого газа. Сделать это можно следующим образом:

Сначала вычисляем процентное содержание паров воды в газообразном топливе:

где D — содержание паров воды в 1 куб.м. газообразного топлива с влагосодержанием d_г.тл , %;

803,6 = М_H2O / V_m = (18,0 г/моль × 1000) / 22,4 л/моль — удельная плотность водяных паров, г/куб.м.

Далее делаем пересчет содержания компонентов в 1 куб.м. сухого газа на 1 куб. м. с влагосодержанием равным D % :

где: x вг — содержание компонента газообразного топлива в 1 куб.м. газа с влагосодержанием d_г.тл , %;

x сг — содержание компонента газообразного топлива в 1 куб.м. сухого газа, т.е. при d_г.тл = 0 г/куб.м., %;

Просуммировав полученные величины, мы узнаем правильно или нет задан состав газообразного топлива (сумма должна быть равна 100,0%):

В соответствии с нормативным методом теплового расчета котельных агрегатов, содержащиеся в топливе в небольшом количестве (до 3,0%) непредельные углеводороды неизвестного состава принимаются состоящими из C₂H₄ (стр. 16 файла по ссылке).

Источник

Расчет процесса горения природного газа

Объемы воздуха и продуктов сгорания определяются на 1 м 3 сухого газообразного топлива при нормальных условиях.

Расчет производится согласно нормативному методу

Расчет объемного состава и энтальпии продуктов сгорания газообразного топлива.

Теоретическое количество воздуха , необходимое для сгорания 1 нормального кубического метра топлива определяется по формуле [17]

, (3.3)

где H₂ ,CO — содержание отдельных газов в топливе в %;

m и n числа атомов углерода и водорода в химической формуле углеводородов, входящих в состав топлива.

Теоретическое количество воздуха в м 3 /м для сжигания 1 кг топлива

, (3.4) (3.4)

где V₀ — теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания

1 нормального кубического метра топлива, м 3 /м 3 ;

ρ_в= 1,225 плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м 3 ;

ρ_г =0,73 плотность природного газа при нормальных условиях, кг/м 3

м 3 /м 3

Расход воздуха необходимый для сжигания топлива в кг/снаходим по формуле [17]

, (3.5)

Где G_кт— расход газа за ГТУ, кг/с;

G_гт— расход сжигаемого в КС ГТУ топлива, кг/с.

Коэффициент избытка воздуха α_КТ в камере сгорания находим по формуле [17]

, (3.6)

где G_в — расход воздуха необходимый для сжигания топлива, кг/с;

V₀ — теоретическое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг.

=6,88

Объемный состав продуктов сгорания газообразного топлива находим по формуле [17]

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)

где α_кт — коэффициент избытка воздуха в камере сгорания;

V₀ — теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 нормального кубического метра топлива, м 3 /м 3 .

Полный относительный объем продуктов сгорания газового топлива находим по в формуле [17]

, (3.11)

где — объемный состав продуктов сгорания газообразного топлива, м 3 /м 3 .

Объемные доли продуктов сгорания находим по формуле [17]

(3.12)

(3.13)

(3.14)

(3.15)

где — объемный состав продуктов сгорания газообразного топлива, м3/м3;

V_г — полный относительный объем продуктов сгорания газового топлива, м 3 /м 3 .

Молекулярную массу продуктов сгорания в г/моль находим по формуле [11]

(3.16)

Где — объемные доли компонентов топливного газа.

Находим параметры β_Г для газовой смеси известного состава [11]

(3.17)

Где — объемные доли компонентов топливного газа.

Расчет дымовой трубы

Принимается для ГТУ отдельная дымовая труба, устанавливаемая после котла-утилизатора. Размеры ее (высота и диаметр устья) определяются из условия обеспечения предельно допустимой концентрации NO₂ в окружающем воздухе (ПДК) при нагрузке котла-утилизатора в номинальном режиме со средней температурой окружающего воздуха за наиболее холодный месяц, равной –14,9 0 С.

Диаметр дымовой трубы будем считать по расходу уходящих газов при сжигании природного газа, т.к. их расход больше, чем при сжигании мазута.

Имеем: суммарный объем уходящих газов после котла-утилизатора при объемном расходе 67,48 м 3 /с. Равен 243 тыс. нм 3 /ч; средняя температура газов при входе в дымовую трубу 110 0 С. Температуру газов на выходе из дымовой трубы с учетом охлаждения в дымовой трубе принимаем равной 90 0 С.

Объемный расход газов ₁, выходящих из дымовой трубыопределяем по формуле

, (3.18)

где V_г – суммарный объем уходящих газов после котла-утилизатора

t к _ух – средняя температура газов при входе в дымовую трубу

t_ух – температура газов на выходе из дымовой трубы с учетом охлаждения в трубе.

м 3 /с

Выходную скорость газов принимаем 18 м/с (согласно стр. 141 из [9]).

Требуемый диаметр устья трубы в мм определяется по формуле

, (4.19)

Принимаем к установке дымовую трубу по типовому проекту с диаметром устья 2,1 м (согласно СНИП II-35-76 КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ).

Действительная выходная скорость газов в м/с определяется по формуле

(3.20)

Высота дымовой трубы определяется по условиям рассеивания в воздушном пространстве вредных выбросов, ПДК которых в окружающем воздушном пространстве регламентируется санитарными нормами.

Минимально допустимая высота дымовой трубы Н_МИН, м, подсчитывается из условия предельно допустимых концентраций NO₂ , в атмосфере по формуле (6-4 из [9]):

(3.21)

где А – коэффициент, зависящий от метеорологических условий местности (для Урала А=160);

М – выброс NO₂, г/с ; М= 67,48·0.05= 3,3 г/с

F – коэффициент (при расчете по SO₂ принимается равным 1);

ПДК – предельно допустимая концентрация NO₂;

V₁ – секундный объем газов, выбрасываемых из трубы, м 3 /с;

ΔТ – разность температур между выходящими из трубы газами и окружающим воздухом, 0 С.

Выбросы окислов азота в г/м 3 определяется по формуле

(3.22)

где Z- Уровень выброса вредных веществ, г/ м3

г/с

Выброс окислов азота при природного газа составит 3,3 г/с.

Минимально допустимая высота дымовой трубы Н_МИН составит

Согласно полученных данных для удовлетворения показателей предельно-допустимых концентраций вредных выбросов в атмосферу устанавливаем дымовую трубу с диаметром устья 2,1 м и высотой 17,4 м.

Источник