Расчеты горения природного газа

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

Часть 2. Расчет горения газообразного топлива

Природный газ — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород.

Качество топлива является критичным в производстве цемента. Топливо — не только источник энергии, необходимый для нагрева материала до температуры спекания, обычно 1350 °C, но и источник сырьевого материала, поскольку топливо в реальном процессе смешивается с сырьевым материалом. Поэтому химический состав золы также важен. Для каждого вида топлива в модель вводится новым компонент. Один топливный компонент описывается химической формулой, рассчитанной путем химического анализа, а его молекулярная масса принимается за 1000 г сухого вещества на моль. Энтальпия образования каждого топлива затем рассчитывается как энтальпия продуктов минус энтальпия реагентов. Энтальпия реагентов аппроксимируется с калориметрической теплотворностью сухого образца топлива.

Расчет горения топлива сводится к определению теплоты горения топлива (кДж/нм 3 газа), количества воздуха, необходимого для сгорания топлива (теоретического и действительного, соответственно инм 3 /нм 3 газа) и выхода продуктов горения (нм 3 /нм 3 газа). Для расчета необходимо знать состав рабочей массы топлива и коэффициент избытка воздуха , который для вращающихся печей изменяется от 1,05 до 1,3 в зависимости от свойств используемого топлива. Все расчеты проводятся на 1 нм 3 газообразного топлива.

Формулы для расчета горения природного газа:

8С_5);

где ,и т.д. – процент составляющих природного газа .

Массовый расход воздуха (и, кг/нм 3 газа) и выход продуктов горения (G_пг,кг/нм 3 газа) определяют с учетом плотности газов:

Результаты расчета сводят в таблицу материального баланса горения топлива при действительном расходе воздуха. Сумма масс не должна расходиться более чем на 1%.

Расчеты расхода топлива приведены в таблице 2.

Определили количество топлива, которое необходимо для оптимального обжига сырьевой смеси при постоянной температуре и количество воздуха, необходимое для подачи на горения для полного сгорания топлива. Определили массовый и объемный расход топлива, а также определили материальный баланс его состава. Невязка составляет 0,23911%, следовательно все приходящее топливо в полной мере расходуется на обжиг сырьевой смеси.

коэффициент избытка воздуха, a

Месторождение топлива

Источник

Материальный баланс горения топлива

Материальный баланс необходим для проверки правильности расчетов, его составляют на 100 м 3 газа или 100 кг мазута или твердого топлива (табл. 2).

Материальный баланс процесса горения топлива.

для твердого топлива и мазута

*В скобках указаны плотности газов в кг/м 3 .

Разность между суммой прихода и суммой расхода, называемую невязкой, вносят в расходную часть, независимо от её знака («+» или «–»). Величина невязки не должна превышать 1% от суммы приходных статей, т.е. невязка составляет

.

Рис. 1. i–t-диаграмма для низких температур

Рис. 2. i–t-диаграмма для высоких температур

Примеры расчета горения топлива Расчет горения природного газа

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

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

Определяем состав рабочего топлива. Пользуясь формулой (0), находим содержание элементов в рабочем топливе:

СН₄ вл =% == 85,0·0,9926 = 84,37%;

Результаты пересчета состава сводим в таблицу.

Состав влажного рабочего топлива, объемные %

Рассчитываем теплоту сгорания природного газа по формуле (0):

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

Тепловой эквивалент согласно формуле (0) составляет:

Э_т== 1,187.

Теоретически необходимое количество сухого воздуха находим по формуле (0):

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 = 1,15 по формуле (0):

L_д= 1,15 · 9,22= 10,60 нм 3 / нм 3 .

Рассчитываем действительное количество атмосферного воздуха по формуле (0):

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

Количество продуктов горения газа при = 1,15 по формулам (0) ‑ – (0):

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

+ 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 = 1,15 по формуле (0):

V_= 0,991 + 2,073 + 8,464 + 0,290 = 11,81811,82 нм 3 / нм 3 .

Процентный состав продуктов горения:

 _CO2= ·100% = 8,39%;_Н2O= ·100% = 17,54%;

 _N2= ·100% = 71,61%;_О2=·100% = 2,46%.

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

Материальный баланс процесса горения природного газа

Невязка баланса составляет: = 0,061%.

Определяем теоретическую температуру горения природного газа. Для этого находим общее теплосодержание продуктов горения по формуле (0), 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= 1,15:t_теор= 1780°С.

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

i_общ = i _общ .  = 2942 · 0,78 = 2295 кДж/нм 3 .

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

Допустим, требуется создать в печи температуру 1680ºС.

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

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

Общее теплосодержание продуктов горения топлива i_общможет быть повышено за счет теплоты подогретого воздухаi _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 (0) 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 теплосодержаниемi_возд= 613 кДж/нм 3 при подогреве доt_возд= 420ºС.

Источник