«ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ» 2 страница

Величины как это следует из (1.33), равны:

Формула (1.33) не пригодна для расчета процесса горения мазута при его распылении водяным паром.

При сжигании смеси нескольких газов расчет процесса горения следует производить по правилу смешения. Если сжигается смесь двух газов, то задачу можно решить графически. Для этого определяют по теплоте сгорания каждого газа характеристики процесса горения – .

Далее методика расчета по определению других характеристик процесса горения смеси газов соответствует той, которая описана в п.«2.3. Расчет процесса горения газовых смесей».

Таблица 1.1. – Значение коэффициентов и поправок для расчета и

Топливо	l	L₂	ΔL	S₁	S₂	W_гр
Горючие газы
Природный газ:
> 35800 кДж/м³	0,264		0,0	1,0		W^p
< 35800 кДж/м³	0,264			0,38	-0,018	W^p
Доменный газ	0,191			0,97	0,031	W^p
Коксовый газ:
< 16750 кДж/м³	0,2567		0,25	0,44	-0,014	W^p
> 16750 кДж/м³	0,2567		0,25	1,08	0,23339	W^p
Мазут	0,2627	0,007	0,06	-0,048	-0,0287	2,0
Твердые виды топлива
Бурые угли:
А^с < 20%	0,2627	1,02	0,0263	W^p	0,0263	W^p
А^с = 20–30%		0,007	0,06	0,97
А^с > 30%		0,40	0,0086	8, 0
Каменные угли:
А^с < 20%				1,15	0,0287	W^p
А^с = 20–30%	0,2627	0,007	0,06	0,97	0,0263
А^с > 30%		0,40	0,0086
Антрацит	0,2627	0,007		0,40	0,0086
Кокс	0,2627	0,007		0,40	0,0086	12,0

Сопоставление результатов расчета характеристик процесса горения, вычислительных по приближенным формулам и по стехиометрическим соотношениям, показывает, что расхождение результатов составляет не более 3,0%, что является вполне допустимым в практике инженерных расчетов.

1.4. Расчет температур горения топлива

Сведения о температурах горения топлива позволяет дать обоснованную оценку целесообразности использования данного вида топлива в том или ином технологическом процессе, для которого основным источником тепловой энергии являются процессы его горения. Особенно это важно для металлургических технологий, относящихся к высокотемпературным. Для таких технологий важными являются характеристики самого топлива – его происхождение, агрегатное состояние, теплота сгорания и условия его сжигания – избыток воздуха, уровень обогащения воздуха кислородом, степень подогрева воздуха и газообразного топлива, участвующих в процессах горения. Таким образом, температуры горения топлива являются своего рода комплексным, интегральным показателем процесса горения, используемым для объективной оценки соответствия характеристик топлива и условий его сжигания теплотехническим требованиям реализации соответствующей металлургической технологии.

Определение температур горения топлива производится на основе анализа и решения уравнения теплового баланса процесса горения топлива, который протекает в какой-либо топке или тепловом агрегате. Отражая закон сохранения энергии, уравнение теплового баланса включает две части – приходную и расходную. Первая учитывает все источники тепловой энергии, вторая – все виды потерь тепловой энергии конкретного агрегата. Исследованиям с помощью теплового баланса могут быть подвергнуты не только топки, печи, тепловые агрегаты, но и их отдельные элементы – рабочее пространство, теплообменные устройства и др. При использовании теплового баланса как инструмента исследования всегда указывается, для какого агрегата (печи, ее элемента) этот баланс составляется. Кроме того, в зависимости от цели анализа устанавливается размерность слагаемых уравнения теплового баланса.

При рассмотрении процессов горения топлива целесообразно тепловой баланс этого процесса составлять на единицу сжигаемого топлива. Поэтому размерность слагаемых и уравнений теплового баланса будет при сжигании газообразного топлива – кДж/м³, а при сжигании жидких и твердых видов топлива – кДж/кг. Для выбранной размерности тепловой баланс процесса горения топлива обычно представляется в следующей форме:

(1.34)

Физическая сущность каждого слагаемого этого уравнения определяется следующим образом.

Приходная часть теплового баланса:

– тепловая энергия химического горения топлива, оцениваемая по теплоте его сгорания. Это слагаемое отражает главный источник тепловой энергии, обеспечивающий технологический процесс;

– тепловая энергии подогретого воздуха, обеспечивающего горение топлива. Подогретый воздух позволяет снизить общий расход топлива на процесс, повысить температуру горения топлива, что обычно приводит к интенсификации процессов теплообмена. Количество тепловой энергии, определяемое этим слагаемым баланса, зависит от расхода воздуха на единицу сжигаемого топлива - теплоемкости воздуха - и температуры его подогрева - , т.е.:

(1.35)

Естественно, чем выше температура подогрева, тем ощутимее проявляются преимущества использования подогретого воздуха. Сведения об объемной теплоемкости воздуха приведены в табл. 1.2;

– тепловая энергии подогретого топлива. Анализ этого слагаемого теплового баланса аналогичен предыдущему. За счет физической тепловой энергии топлива удается снизить расход топлива на процесс, повысить температуры горения. Численное определение этого слагаемого производится по формуле:

(1.36)

Значимость доли этой тепловой энергии возрастает с ростом температуры подогрева топлива - . Данные об объемных теплоемкостях некоторых газообразных видов топлива - , содержатся в той же табл. 1.2.

Таблица 1.2.– средняя теплопроводность газообразных видов топлива и воздуха

t,⁰С	с_р, кДж/(м³К)				t,⁰С	с_р, кДж/(м³К)
t,⁰С	П	К	Д	В	t,⁰С	П	К	Д	В
	1,55	1,35	1,33	1,29		2,36	1,69	1,43	1,36
	1,64	1,39	1,34	1,29		2,45	1,66	1,45	1,38
	1,76	1,43	1,35	1,31		2,56	1,70	1,46	1,39
	1,90	1,47	1,37	1,32		2,66	1,73	1,48	1,40
	2,02	1,51	1,39	1,33		–	1,76	1,49	1,41
	2,14	1,55	1,41	1,34		–	1,79	1,50	1,42
	2,27	1,59	1,42	1,35		–	1,81	1,51	1,43

Примечание. П – природный, К – коксовый, Д – доменный газы, В – воздух. Теплоемкость смеси газов обычно определяют по правилу аддитивности.

– тепловая энергия, вносимая подогретыми материалами. При расчете этого слагаемого учитывается и теплота экзотермических реакций, протекающих в самом материале.

Приведенные слагаемые теплового баланса составляют его приходную часть.

Расходная часть теплового баланса:

– тепловая энергия, израсходованная на нагрев, плавление материалов, подвергшихся тепловой обработке. В это же слагаемое включаются затраты тепловой энергии на осуществление эндотермических реакций;

– тепловая энергия, сосредоточенная в продуктах горения. Величина в этой энергии равна:

(1.37)

где - объем продуктов горения, образующихся при сжигании единицы топлива,

- их теплоемкость и температура;

- потери тепловой энергии от химической неполноты горения. Этот вид потерь связан с процессами диссоциации в продуктах горения, которые получают заметное развитие при высоких температурах (1500 ). Кроме этого, величина рассматриваемых потерь растет при неудовлетворительном смешении топлива с воздухом, подаваемым для сжигания топлива. Развитие этих процессов приводит к тому, что в продуктах горения топлива появляются несгоревшие компоненты: оксид углерода – СО и водород - Н , хотя и в небольших количествах – 0,5…3,0%. Появление в продуктах горения несгоревших компонентов свидетельствует о неполном использовании химической энергии топлива, о возникновении тепловых потерь данного типа;

– потери тепловой энергии от механической неполноты горения. Под механической неполнотой горения понимают вывод из процесса горения части топлива. В этой статье расходной части теплового баланса для твердого топлива учитывают потери тепловой энергии, появляющейся за счет провала кусочков топлива через колосниковую решетку, а также уноса мелких его частиц с газами и золой. Обычно такие потери оценивают по экспериментальным данным, приведенным в литературных источниках. При сжигании газообразных и жидких видов топлива подобные потери отсутствуют, т.е. в этих случаях величину принимают равной нулю;

– потери тепловой энергии в окружающую среду. Эта статья теплового баланса наиболее разнообразна по источникам потерь. При ее расчете учитываются потери энергии теплопроводностью через кладку, потери излучением через открытые окна и щели, затраты тепловой энергии на нагрев охлаждающей воды, подсасываемого из атмосферы воздуха и пр.;

- потери тепловой энергии на разогрев кладки рабочего пространства теплового агрегата (аккумуляция тепловой энергии кладкой). Этот тип потерь присущ только тепловым агрегатам и печам периодического (циклического) действия. Он обусловлен тем, что при выгрузке горячего металла и загрузке холодного футеровка агрегата (печи) остывает, и для того, чтобы восстановить тепловое состояние кладки, следует ее нагреть. Затраты теплоты на этот процесс и составляют потери данного типа;

- невязка баланса, которая может возникнуть при экспериментальном исследовании работающей печи или теплового агрегата.

Проанализированные слагаемые теплового баланса составляют его расходную часть.

Приведенная структура теплового баланса используется для расчета температур горения. При этом рассматриваются адиабатические условия горения топлива без влияния на этот процесс каких-либо технологических особенностей технологий и работы оборудования. Эти особенности расчета записываются следующим образом:

(1.38)

Тогда уравнение теплового баланса (1.34) с учетом (1.38) может быть записано в виде:

(1.39)

Из анализа этого уравнения следует, что тепловая энергия, подводимая для организации процесса горения в виде химической энергии топлива за вычетом тепловой энергии на компенсацию потерь, связанных с химической и механической неполнотой горения, определяя их теплосодержание на единицу сгоревшего топлива. Если же отнести величину теплосодержания к 1 продуктов горения, то уравнение (1.39) преобразуется:

(1.40)

Величину теплосодержания обозначают и используют для отыскания температур горения. Действительно, при известных значениях теплоемкости продуктов горения - , выхода продуктов горения - , температура продуктов горения может быть найдена из (1.39) или (1.40), т.е.:

(1.41)

Температура, достигаемая в условиях сжигания топлива при подогреве воздуха и газа с учетом только теплоты диссоциации продуктов горения при температурах горения, получила название теоретической температуры горения. В зависимости от величины коэффициента избытка воздуха эту температуру принято обозначать . Для ее определения используют формулы:

,	(1.42)
.	(1.43)

Теплосодержание продуктов горения при теоретических температурах горения равно:

или

Температура, определяемая условиями горения при подогреве воздуха и топлива с учетом химического и механического недожога, названа балансовой температурой горения. Балансовые температуры горения в зависимости от величины коэффициента избытка воздуха принято обозначать (при = 1,0) и (при > 1,0).

Балансовые температуры могут быть найдены на основе следующих формул:

,	(1.44)
.	(1.45)

Этой температуре соответствует теплосодержание 1 м³ продуктов горения:

или

Для отыскания теоретических и балансовых температур процесса горения предварительно определяют теплосодержание 1м³ продуктов горения , в зависимости от целей расчета. В этих величинах суммируются теплосодержания за счет химической энергии топлива , за счет подогретого воздуха, используемого для горения топлива, а также и за счет подогретого топлива. При этом, когда определяют теоретические температуры горения величину рассчитывают, вычитая потери тепловой энергии («неиспользованное» теплосодержание продуктов горения), связанные с развитием процессов диссоциации продуктов горения . При определении балансовых температур горения расчет производят, вычитая из этой величины неиспользованную энергию в виде химического i₃ и механического i₄ недожога.

Таким образом при отыскании теоретических температур горения:

(1.46)

а при определении балансовых температур горения

(1.47)

Сравнение поученных выражений (1.46) и (1,47) с (1,40) позволяет, используя (1,35) и (1,36), установить, что:

;	(1.48)
;	(1.49)
.	(1.50)

Приведенные формулы справедливы для условий горения топлива как при α > 1,0, так и при α = 1,0. В последнем случае при расчете теплосодержания продуктов горения следует использовать величину V₀.

Если воздух для обеспечения горения поступает из атмосферы, то величину обычно принимают равной нулю. Значения для газообразных видов топлива также принимают нулевыми, если топливо поступает на горение при температуре окружающей среды. Для твердых видов топлива, значение , от которых зависит теплосодержание 1 м³ продуктов горения, также принимают равным нулю.

Установленная связь между значениями теплосодержания продуктов горения и температурами горения позволила профессору С.Г. Тройбу построить i–t диаграммы для определения теоретических и балансовых температур горения, которые приведены на рисунках 1.1. ..... 1.3. Необходимо подчеркнуть, что выбор для использования той или иной i–t диаграммы следует производить в зависимости от вида топлива, а для газообразных видов топлива и от величины их теплоты сгорания. Достоинство диаграмм профессора С.Г. Тройбу состоит в том, что в них учтена зависимость теплоемкости продуктов горения от избытка воздуха в них. С этой целью им введен параметр – υ_L, характеризующий избыток воздуха в продуктах горения при определении температур горения. Для определения этого параметра используется формула:

На диаграммах представлены пучки кривых в декартовых координатах, каждая из которых выражает зависимость i_Т = f(общ), причем сплошные линии соответствуют , а пунктирные , при этом параметром для соответствующих пар кривых служит величина υ_L.

Для подъема температуры горения любого вида топлива можно использовать:

– подогрев воздуха, идущего на горение (для любых видов топлива);

– подогрев газообразного топлива. Ограничения существуют для природного газа, нагрев которого не должен превышать 500⁰С. При более высоких температурах происходит разложение метана с выделением сажистого углерода;

– подогрев и воздуха, и газообразного топлива, участвующих в процессе горения;

Рисунок 1 – i–t диаграмма для смеси доменного и природного газов при

> 12 500 кДж/м³, а также для коксового и природного газов:

–––– – ; - - - –

Рисунок 2 – i–t диаграмма для газов и их смесей при 8000 < < 12500 кДж/м³,

а также для мазута, каменных углей, антрацита и кокса.

–––– – ; - - - –

Рисунок 3 – i–t диаграмма для смеси доменного и коксового газов при

≤ 8000 кДж/м³, а также для доменного газа, бурых углей и торфа:

–––– – ; - - - –

– обогащение бедных газообразных видов топлива более богатыми, например подмешивания к ним природного газа;

– Обогащение воздуха кислородом, при этом в зависимости от степени обогащения снижается объем продуктов горения.

2. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

2.1. Расчет процесса горения природного газа

Выполнить аналитический расчет полного горения природного газа, состав которого (на сухой газ) определяют следующие компоненты: СН₄ = 980%, С₂Н₆ = 0,1%, СО₂ = 0,3%, N₂ = 1.6%, а также определить теоретические

( ) и балансовые ( ) температуры горения при следующих условиях:

а) когда коэффициент избытка воздуха α = 1,0 и температура подогрева газа и воздуха равны нулю;

б) когда коэффициент избытка воздуха α = 1,2, температура подогрева воздуха t_Т = 0⁰С, а температура подогрева воздуха t_в – 1100⁰С.

В расчетах принять содержание влаги: в газе – = 0,0 г/м³ (газ сухой) и в воздухе – = 15 г/м³. При определении балансовых температур горения считать все виды недожога равными 0,03 .

Следуя положениям методики расчета процессов горения газообразного топлива, необходимо определить:

1. Расход воздуха для обеспечения полного горения в теоретических (α = 1,0) и практических (α = 1,2) условиях сжигания топлива. Для этого первоначально рассчитывается:

=0,01·(2·98,0 + 3,5·0,1) = 1,964 м³/ м³,

и далее –

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒