Расчет продукта сгорания природного газа

Расчет горения природного газа

Природный газ Верхне-Омринского месторождения. Содержание влаги в газе W р = 1,0 об.%.

СН4 с	С2Н6 с	С3Н8 с	С4Н10 с	С5Н12 с и высшие	СО2 с	N2 с	Сумма
85,0	3,90	1,40	0,41	0,23	0,10	8,70	99,74

Коэффициент избытка воздуха при сжигании газа в горелке частичного смешивания a = 1,15. Влагосодержание атмосферного воздуха d = 10 г/кг сухого воздуха (в этом и других примерах).

Определяем состав рабочего топлива. Пользуясь формулой (3), находим содержание элементов в рабочем топливе:

СН₄ вл = % = = 85,0·0,9926 = 84,37%;

СО₂ вл = 0,10·0,9926 = 0,099% » 0,10%;

Результаты пересчета состава сводим в таблицу.

Состав влажного рабочего топлива, объемные %

СН4 вл	С2Н6 вл	С3Н8 вл	С4Н10 вл	С5Н12 вл	СО2 вл	N2 вл	Н2О вл	Сумма
84,37	3,87	1,39	0,41	0,23	0,10	8,64	1,00	100,00

Рассчитываем теплоту сгорания природного газа по формуле (8):

= 358,2·84,38 + 637,5·3,87 + 912,5·1,39 + 1186,5·0,41 + 1460,8·0,23 =

Тепловой эквивалент согласно формуле (9) составляет:

Теоретически необходимое количество сухого воздуха находим по формуле (11):

L₀ = 0,0476·(2·84,37 + 3,5·3,87 + 5·1,39 + 6,5·0,41 + 8·0,23) = 9,22 нм 3 /нм 3 .

Определяем действительное количество атмосферного воздуха при a = 1,15 по формуле (12):

L_д = 1,15 · 9,22= 10,60 нм 3 / нм 3 .

Рассчитываем действительное количество атмосферного воздуха по формуле (13):

L_д¢ = (1 + 0,016 d) L_д = 1,016·10,60 = 10,77 нм 3 / нм 3 .

Количество продуктов горения газа при a = 1,15 по формулам (14) ‑ – (17):

V_СО2= 0,01 (0,10 + 84,37 + 2·3,87 + 3·1,39 + 4·0,41 + 5·0,23) =

V_Н2О = 0,01 (2·84,37 + 3·3,87 + 4·1,39 + 5·0,41 + 6·0,23 + 0,99 +

+ 0,16·10·10,60) = 2,073 нм 3 /нм 3 ;

V_N2= 0,79·10,60 + 0,01·8,64 = 8,463 нм 3 /нм 3 ;

V_О2= 0,21 (1,15 – 1) 9,22 = 0,290 нм 3 /нм 3 .

Находим общий объем продуктов горения при a = 1,15 по формуле (22):

V_a = 0,991 + 2,073 + 8,464 + 0,290 = 11,818 » 11,82 нм 3 / нм 3 .

Процентный состав продуктов горения:

Составляем материальный баланс процесса горения на 100 нм 3 природного газа при a = 1,15.

Материальный баланс процесса горения природного газа

Приход	кг	Расход	кг
Природный газ	60,49	Продукты горения
СН4 = 84,37·0,717	5,25	СО2 = 0,991·1,977	196,02
С2Н6 = 3,87·1,356	2,81	Н2О = 2,073·0,804	166,65
С3Н8 = 1,39·2,020	1,16	N2 = 8,463·1,251	1058,74
С4Н10 = 0,41·2,840	0,73	О2 = 0,290·1,429	41,50
С5Н12 = 0,23·3,218	0,20
N2 = 8,64·1,251	10,80	Невязка	-0,89
Н2О = 0,99·0,804	0,80
Воздух
О2 = 10,60·0,21·100·1,429	318,20
N2 = 10,60·0,79·100·1,251	1047,94
Н2О = 10,60·0,0016·10·100·0,804	13,64
Итого	1462,02	Итого	1462,02

Невязка баланса составляет: = 0,061%.

Определяем теоретическую температуру горения природного газа. Для этого находим общее теплосодержание продуктов горения по формуле (23), пренебрегая теплосодержанием природного газа и воздуха и теплотой диссоциации:

i _общ = = 2942 кДж/нм 3 .

По i–t-диаграмме (рис. 2) находим теоретическую температуру горения при коэффициенте a = 1,15: t_теор = 1780°С.

Находим расчетное теплосодержание продуктов горения с учетом пирометрического коэффициента, который примем равным h = 0,78:

i¢_общ = i _общ . h = 2942 · 0,78 = 2295 кДж/нм 3 .

По i–t-диаграмме (рис. 2) находим действительную температуру горения природного газа t_действ = 1450°С.

Допустим, требуется создать в печи температуру 1680ºС.

Для этого необходимо повысить теплосодержание ПГТ. Определяем по i–t-диаграмме, что при 1680ºС i¢_общ = 2724 кДж/нм 3 .

Снизить коэффициент избытка воздуха α ,чтобы уменьшился общий объем ПГТ V_a и таким образом повысилось их теплосодержание i _общ, нельзя, так как a = 1,15 близко к минимально допустимому значению и в результате снижения a ухудшится смешивание потоков топлива и воздуха.

Общее теплосодержание продуктов горения топлива i _общ может быть повышено за счет теплоты подогретого воздуха i _возд, идущего на горение. Определим температуру подогрева. Вклад в теплосодержание ПГТ от нагретого воздуха:

Δi _общ = = = 550 кДж/нм 3 .

Приравниваем добавочную теплоту величине теплосодержания воздуха. При сжигании газа доля вторичного воздуха может достигать 100%, т.е. в формуле (23) k = 1,00.

Δi _общ = i _возд = , т.е.

i _возд = = 550 = 613 кДж/нм 3 .

По i–t-диаграмме (рис. 1) определяем, что воздух обладает теплосодержанием i _возд = 613 кДж/нм 3 при подогреве до t_возд = 420ºС.

Источник

Расчет горения природного газа проектный

Температура подогрева воздуха, t_в = 20 °C.

1.1.2. Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ при содержании H₂O = 1%:

При точности анализа – один знак после запятой, другие составляющие газа остаются без изменений, т.е. состав рабочего газа будет:

CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	CO2	N2	H2O	Сумма
97,0%	0,5%	0,3%	0,1%	0,2%	0,1%	0,8%	1,0%	100,0%

1.1.3.Теплота сгорания газа:

Q p _н = 385,18 ⋅ 97,0 + 637,48 ⋅ 0,5 + 912,3 ⋅ 0,3 + 1186,46 ⋅ 0,1 + 1460,77 ⋅ 0,2 = 35746,69 , кДж/нм 3

Q p _н = 85,55 ⋅ 97,0 + 152,26 ⋅ 0,5 + 217,9 ⋅ 0,3 + 283,38 ⋅ 0,1 + 348,9 ⋅ 0,2 = 8538 , ккал/нм 3 .

1.1.4.Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

V о _в = 4,762 (2 ⋅ 97 + 3,5 ⋅ 0,5+ 5 ⋅ 0,3+ 6,5 ⋅ 0,1+ 8 ⋅ 0,2)/100 = 4,762 ⋅ 199,5/100 = 9,5 нм 3 /нм 3 .

1.1.5.Теоретически необходимое количество воздуха с учетом его влажности:

V о _{в .вл} = (1+0,0016d) ⋅ V о _в , нм 3 /нм 3

V о _{в .вл} = (1+0,0016 ⋅ 10) ⋅ 9,5 = 9,65 нм 3 /нм 3 ,

где: 0,0016 = 1,293/(0,804 ⋅ 1000) представляет собой коэффициент пересчета весовых единиц влаги воздуха, выраженных в г/кг сухого воздуха, в объемные единицы – нм 3 водяных паров, содержащихся в 1 нм 3 сухого воздуха.

1.1.6. Действительное количество сухого воздуха при коэффициенте избытка воздуха α=1,2:

V_α = α ⋅ V о _в = 1,2 ⋅ 9,5 = 11,4 нм 3 /нм 3

1.1.7.Действительное количество атмосферного воздуха при коэффициенте избытка α=1,2:

V ′_α = α ⋅ V о _{в .вл} = 1,2 ⋅ 9,65 = 11,58 нм 3 /нм 3

1.1.8.Количество продуктов горения при α=1,2:

V_{CO 2} = 0,01(0,1 + 97 + 2 ⋅ 0,5 + 3 ⋅ 0,3 + 4 ⋅ 0,1 + 5 ⋅ 0,2) = 1,004 нм 3 /нм 3

V_{H2 O} = 0,01(2 ⋅ 97 + 3 ⋅ 0,5 + 4 ⋅ 0,3 + 5 ⋅ 0,1 + 6 ⋅ 0,2 + 1,0 + 0,16 ⋅ 10 ⋅ 11,4) = 2,176 нм 3 /нм 3

V_{N 2} = 0,01 ⋅ 0,8 + 0,79 ⋅ 11,4 = 9,014 нм 3 /нм 3

V_{O 2} = 0,21(α — 1)V о _в , нм 3 /нм 3

V_{O 2} = 0,21 ⋅ (1,2 — 1) ⋅ 9,5 = 0,399 нм 3 /нм 3

Общее количество продуктов горения:

V_ДГ = 1,004 + 2,176 + 9,014 + 0,399 = 12,593 нм 3 /нм 3

1.1.9. Процентный состав продуктов горения:

СО₂ = 1,004 ⋅ 100/12,593 ≅ 7,973%

H₂O = 2,176 ⋅ 100/12,593 ≅ 17,279%

N₂ = 9,014 ⋅ 100/12,593 ≅ 71,579%

Итого: 99,999% или с точностью до двух знаков после запятой – 100%.

1.1.10.Материальный баланс процесса горения на 100 нм 3 газа (перевод нм 3 каждого газа в кг производят путем умножения на его плотность ñ_o, кг/нм 3 ).

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Природный газ:			Продукты горения:
CH4=97,0 ⋅ 0,717	69,55	4,466	CO2=1,004 ⋅ 100 ⋅ 1,977	198,49	12,75
C2H6=0,5 ⋅ 1,356	0,68	0,044	H2O=2,176 ⋅ 100 ⋅ 0,804	174,95	11,23
C3H8=0,3 ⋅ 2,020	0,61	0,049	N2=9,014 ⋅ 100 ⋅ 1,251	1127,65	72,42
C4H10=0,1 ⋅ 2,840	0,28	0,018	O2=0,399 ⋅ 100 ⋅ 1,429	57,02	3,66
C5H12=0,2 ⋅ 3,218	0,644	0,041	Неувязка	-0,91	-0,06
CO2=0,1 ⋅ 1,977	0,20	0,013	Итого:	1551,2	100,00
N2=0,8 ⋅ 1,251	1,00	0,064
H2O=1,0 ⋅ 0,804	0,80	0,051
Воздух:
O2=199,5 ⋅ 1,2 ⋅ 1,429	342,1	21,964
N2=199,5 ⋅ 1,2 ⋅ 3,762 ⋅ 1,251	1126,68	72,415
H2O=0,16 ⋅ 10 ⋅ 11,4 ⋅ 0,804	14,66	0,941
Итого:	1557,2	100,0

1.1.11.Общая энтальпия продуктов горения при t_в=20 °C и á_в=1,2:

i_общ = 35746,69/12,593 + 11,58 ⋅ 26,38/12,593 = 2862,9 кДж/нм 3 или

i_общ = 8538/12,593 + 11,58 ⋅ 6,3/12,593 = 683,8 ккал/нм 3 ,

где: i ′_в = с_в ⋅ t_в = 1,319 ⋅ 20 = 26,38 кДж/нм 3 или

i ′_в = с_в ⋅ t_в = 0,315 ⋅ 20 = 6,3 ккал/нм 3

i ′_в может быть определена также по i-t диаграмме рис. 7.1.

1.1.12.Теоретическая температура горения при α=1,2

t_теор=1775 °С, по i-t диаграмме рис. 7.2.

1.1.13.Коэффициент сохранения тепла в топке:

ϕ = 1 – q₅ /100= 1 – 0,5/100 = 0,995

где: q₅ – потери тепла в окружающую среду, зависят от конструктивных особенностей топки, в примере q₅ принимаем равными 0,5%.

1.1.14.Действительная энтальпия газов в топке:

i ′ _общ = 2862,9 ⋅ 0,995 =2848,6 кДж/нм 3 или

i ′ _общ =683,8 ⋅ 0,995 = 680,4 ккал/нм 3

1.1.15.Действительная средняя температура газов в топке:

t_дейст ≈ 1750 °С, по i-t диаграмме рис. 7.2.

Источник

1. Расчет горения топлива

Сжигается природный газ, элементарный состав которого на сухую массу, %:

Влагосодержание сухого газа составляет g с.г. =5 г ∕ м 3 .

Температура подогрева воздуха t_в=300 ° С.

Коэффициент избытка воздуха α=1,2.

Влажность воздуха q св =14.

Механический недожог отсутствует.

1.2 Пересчет состава газа на рабочую (влажную) массу

Рассчитаем процентное содержание водяных паров в 1 м 3 природного газа:

H₂O в . г = ;

H₂O в.г =%

Пересчитаем состав газа на рабочую массу по формуле:

x в.г =x c .г % ;

CH₄ в.г = 98,3*= 96,6%;

1.3 Расчет количества кислорода и воздуха для сжигания 1 м 3 газа

Найдем объем кислорода, необходимый для окисления горючих составляющих природного газа.

=0,01[(m+n∕ 4)∑C_mH_n в.г. ];

=0,01(2·96,6+3.5·0,129+5·0.009)=1,939 м 3 /м 3 .

Находим количество воздуха при α=1, необходимое для сжигания 1 м 3 природного газа, используя соотношение азота и кислорода в воздухе К=3,76:

L₀ с.в =(1+K)

Практически введенное количество воздуха при α=1,2 составит:

1.4 Расчет объема и состава продуктов сгорания при сжигании 1 м 3 газа

Найдем объем продуктов сгорания при α=1

= 0,01[CH₄ в. + 2C₂H₆ в.г +3C₃H₈ в.г +4C₄H₁₀ в.г ] =0,969 м 3 /м 3 ;

= 0,01[H₂O в.г +2CH₄ в.г +3C₂H₆ в.г +4С₃H₈ в.г +5C₄H₁₀ в.г ]=1,942 м 3 /м 3 ;

= 7,26 м 3 /м 3 ;

V₀=0,969 +1,942 +7,26 =10,17м 3 /м 3 .

Выход продуктов сгорания при α=1,2 изменится только на величину содержания азота, внесенного с избытком воздуха, и на величину избыточного кислорода:

8,7 м 3 /м 3 ;

=0,386 м 3 /м 3 ;

=+++=12,0 м 3 /м 3 – объём продуктов сгорания при α=1,2;

Состав продуктов сгорания при α=1:

Состав продуктов сгорания при α=1,2:

1.5 Расчет теплоты сгорания природного газа

В формулу для Q_н р , подставим горючие составляющие, которые указаны в исходных данных и пересчитаны на рабочую массу:

Q_н р =34666

1.6 Расчет температур горения

Определим химическую энтальпию топлива:

Физическая энтальпия подогретого воздуха, где с_в взята из прил. 2.

_.

Общая энтальпия продуктов сгорания составит:

Используем приложение 1 — диаграмму itи вычисляем содержание избыточного воздуха в продуктах сгорания:

Теоретическая температура горения природного газа t_α т =1950°С.

Энтальпия химического недожога

_.

_{Общее балансовое теплосодержание продуктов сгорания:}

Балансовая температура горения природного газа t_α т =1970°С.

2 Определение тепловых потоков и температур металла по длине печи

2.1. Определение теплового потока и температур металла в сечении 2

Для расчета лучистого теплообмена необходимо знать эффективную толщину излучающего слоя печных газов вблизи сечение 2, м:

Высота рабочего пространства над заготовками найдена с использованием размеров, указанных на рис. 1.1:

H₂ = Н— S=2,54-0,3= 2,24 м, а ширина печи D =2,6 м оставлена без изменения.

Задаем температуру газов в сечении 2 t_г2 = 1280°С. Затем из расчета объема и состава продуктов сгоранияопределяем содержание Н₂0 и С0₂.

Получаем содержание излучающих газов, а печной атмосфере, а именно:

0,01 S_эф Н₂О = 0,01∙ 2,21∙ 11,66= 0,25 атм∙м,

которые необходимы для определения степени черноты при с помощью прил. 6,7 и 8 заданной температуре газов t_г2 = 1280°С: водяного пара ε_СО2 =0,096; ε_Н2О=β∙ ε_Н2О=1,05∙0,14=0,147

Затем определяем степени черноты: продуктов горения

Определяем степень развития кладки вблизи сечения 2:

Приведенный коэффициент излучения для системы «газ — кладка — металл» в сечении 2:

Удельный лучистый тепловой поток на металл в рассчитываемом сечении

При известном коэффициенте конвективного теплообмена а_к2 определяем конвективную составляющую общего теплового потока:

Суммарный тепловой поток на металл в сечении 2 составит

Полагаем, что тепловая мощность низа печи составляет 50 % от общей, т.е. отношение этих мощностей равно

Используя это отношение, по прил. 9 находим = 0,58 и прогреваемые толщины слитка: сверху S_B =0,580,35 = 0,203 м и снизу 5„ =0,35 -0,203 = 0,147 м.

Определяем минимальную температуру по сечению слитка перед его заходом на сплошной под

куда подставили из прил. 10 теплопроводность малоуглеродистой стали = 28 Вт/(м-К) при температуре на 100 °С ниже, чем конечная температура поверхности.

Определяем температуру массы верхней части слитка

Источник