Горение топлива и горение газа

Топливо и его горение

Основным источником энергии для металлургической промышленности является топливо.

Под топливом понимают вещество, горение которого сопровождается выделением значительного количества тепла и которое отвечает следующим требованиям:

1. запасы должны быть достаточными для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и попользовать;

2. продукты сгорания должны легко удаляться из  зоны горения;

3. продукты сгорания должны быть безвредны для окружающего мира и самих тепловых устройств;

4. процесс горения должен быть легко управляем.

Этим требованиям отвечают органические соединения, содержащие углерод С и водород Н и их соединения.

Все виды топлива подразделяют на естественное и искусственное, каждое из которых в свою очередь подразделяются на твердое, жидкое, газообразное.

Химический состав топлива.

Топливо состоят из горючей массы и балласта. К горючим компонентам относятся С, Н, S (сера органическая и колчеданная). В состав топлива входят азот N (не горит, теплоноситель), кислород О (окисляет горючие компоненты).

Кроме этого в топливе всегда присутствуют вода и зола. Вода, содержащаяся в топливе, подразделяется на гигроскопическую, химически связанную и внешнюю, которая механически удерживается в топливе и теряется при сушке.

Зола – это негорючая минеральная часть топлива, состоящая из Al2O3, Fe2O3, Si2O3, CaO и др.

Элементарный анализ топлива.

Состав рабочего топлива:

СР + HР + OР + NР + SР + AР + WР = 100%

Пересчет состава топлива с любой массы на рабочее топливо выполняется по одному из следующих выражений:

Теплота сгорания топлива.

Количество выделившегося тепла при сжигании топлива связано с химическим составом топлива.

Количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива, называется теплотой сгорания топлива Q. Ее размерности: кДж/кг (ккал/кг), кДж/м3 (ккал/м3) или кДж/кмоль (ккал/кмоль).

В технике различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания топлива. Под низшей теплотой сгорания понимают то количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы топлива до продуктов полного сжигания при условии, что вода, содержащаяся в продуктах сгорания, находится в виде пара, охлажденного до 20оС.

Теплота сгорания топлива определяется по следующим формулам:

для твердого и жидкого топлива:

для газообразного:

 ,

где CP, HP, CO, H2 и т.д. – составляющие топлив, %;

4, 187кДж = 1ккал.

Условное топливо.

Для удобства планирования, учета и сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, которое характеризуется низшей теплотой сгорания

.

Для перевода натурального топлива в условное находится эквивалент данного топлива:

для твердого и жидкого:

для газообразного:

.

Перерасчет расхода натурального топлива Вр на условное Ву осуществляется по формуле:

Газообразное топливо.

Газообразное топливо по сравнению с твердым и жидким топливом обладает следующими преимуществами:

1. возможностью лучшего смешения газа с воздухом и, следовательно, сжиганием с меньшим избытком воздуха;

2. легкостью подогрева перед сжиганием;

3. отсутствием золы;

4. транспортабельностью и удобством учета расхода газа;

5. простотой обслуживания горелочных устройств.

Недостатки: взрывоопасность, малая объемная масса (требуются большие емкости для хранения).

Природный газ – наиболее дешевое топливо. Его основным горючим компонентом является метан CH4 = 95%.

Искусственные газы:

1. коксовый газ – продукт коксования углей;

горючие компоненты – Н2 = 46-60%; СН4 = 20-30%; МДж/м3;

2. доменный (колошниковый) газ получают в процессе доменной плавки, содержит около 30% СО; МДж/м3.

Жидкое топливо.

Естественное жидкое топливо – нефть. Как топливо ее используют редко.

Искусственное жидкое топливо – это продукты переработки нефти: бензин, лигроин, керосин, газойль и др. Остаток переработки – мазут. Мазут – топливо металлургической промышленности и энергетики. Перед сжиганием мазут нагревают до 70-80оС с целью понижения его вязкости. Состав мазута – это соединения углеродов. С = 85-88%; Н2 = 10%; МДж/кг.

Твердое топливо.

Это каменный и бурый угли, антрацит, горючие сланцы, торф.

Основной метод переработки угля – коксование, заключающийся в сухой перегонке топлива путем нагрева угля без доступа воздуха при температурах 900-1100оС в коксовых печах. Получается спекшийся кокс, пористый, механически прочный, применяемый в металлургии, в основном для выплавки чугуна. Содержание С=75-85%; МДж/кг.

Горение топлива.

Горением называют химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и быстрым подъемом температуры продуктов сгорания.

Объем движущихся газов, в котором совершаются процессы горения, называется пламенем.

В зависимости от величины коэффициента расхода n (отношение действительного расхода к теоретическому), условий смешения окислителя и топлива, горение топлива бывает полное или неполное.

1. Полное горение топлива получается при n ≥ 1 и полном смешении топлива с окислителем.

Продуктами полного горения являются СО2, Н2О, SO2,.

2. Неполное горение:

1. химический недожог получается при n ≤ 1;

2. механический недожог получается при n ≥ 1 из-за плохого смешения окислителя с топливом, кроме того, унос частиц с газом, провалом твердого топлива сквозь колосниковую решетку.

Неполное горение вызывает потерю тепла (топлива). При неполном горении в продуктах горения наряду с CO2, O2, SO2, H2O, N2 содержится CO, H2, CH4.

Следует помнить, что основную роль для обеспечения полного сжигания топлива при n ≥ 1 играет стадия смешения топлива с окислителем.

Горение газообразного топлива.

Процесс горения любого топлива разделяется на две стадии: воспламенение и непосредственное горение.

Полное сгорание основных горючих составляющих газообразных топлив происходит по следующим реакциям:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 8580ккал/нм3;

H2 + ½O2 = H2O + 2580ккал/нм3;

CO + ½O2 = CO2 + 3022ккал/нм3.

Неполное горение метана:

СН4 + ½О2 = СО + 2Н2 + 396ккал/нм3.

Горение газообразного топлива бывает кинетическое и диффузорное:

• под кинетическим горением понимают горение газовой смеси горючего и окислителя; в этом случае полное время процесса определяется только скоростью химической реакции;

• при диффузорном горении процессы смешения и горения происходят в одном объеме; лимитирующим процессом является процесс смешения – физический процесс, протекающий с меньшей скоростью, чем собственно процесс горения.

Горение жидкого топлива.

В условиях промышленных печей жидкое топливо (обычно мазут) сжигают в распыленном состоянии. Кинетика горения: жидкое топливо, распыленное до мелких капель, попадая в пространство печи, нагретое выше температуры самовоспламенения, начинает испаряться, дальше смешивается с окислителем и горит.

Горение твердого топлива.

Процесс горения твердого топлива может быть разделен на следующие стадии:

• подогрев и подсушка топлива;

• процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и образованием коксового остатка;

• горение летучих, горение коксового остатка (углерод).

Полное горение углерода:

С + О2 = СО2 + 7980ккал/(кг оС);

Неполное горение углерода:

2С + О2 = 2СО + 2340ккал/(кг оС).

Расчет горения топлива.

Для удобства расчет горения твердого и жидкого топлива ведется на 100кг топлива, а расчет горения газообразного топлива на 100м3.

При расчете делают следующие допущения:

1. смешение окислителя с горючим идеальное, и горение идет до полного сгорания топлива (до СО2 и Н2О);

2. в системе достигнуто термодинамическое равновесие;

3. диссоциация продуктов сгорания и горючих принимается равной нулю.

Состав топлива для расчета должен быть пересчитан на рабочую массу.

Целью расчета является определение:

1. количества необходимого для горения воздуха или дутья, обогащенного кислорода.

Количество воздуха, необходимого для горения горючих компонентов топлива, определяется по стехиометрическим соотношениям, называется теоретически (химически) необходимым воздухом.

Действительный расход Lд для более полного сжигания обычно теоретический Lт, т.к. в реальных условиях газогорелочными устройствами не обеспечивается идеальное смешение.

Отношение называется коэффициентом расхода воздуха.

2. количества состава и плотности образующихся продуктов сгорания.

При определении количества и состава продуктов исходят из тех же уравнений горения.

3. температуры горения.

Различают три температуры горения: действительную, теоретическую и калориметрическую.

1. действительная температура – это та температура, которую имеют продукты сгорания в конкретных условиях процесса сжигания топлива, она определяется по формуле:

,

где – пирометрический коэффициент (определяется экспериментально);

 для топочных камер = 0,95;

 для мартеновских печей = 0,85-0,9;

 для садочных печей = 0,8-0,85;

 для проходных и протяжных = 0,7-0,75;

 tk – калориметрическая температура горения, оС.

2. теоретическая температура горения определяется с учетом диссоциации в продуктах сгорания:

,

где – теплота сгорания топлива, кДж/м3 или кДж/кг;

 qдисс – тепло, пошедшее на процесс диссоциации, кДж;

 VП.Г. – объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы топлива, м3;

 СП.Г. – объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м3 оС).

3. калориметрическая температура определяется из условия, что все выделившееся при горении тепло расходуется на повышении температуры продуктов сгорания (т.е. для адиабатных условий):

,

где – физическое тепло подогретого воздуха, кДж/м3 или кДж/кг;

  – физическое тепло подогретого топлива. кДж/м3 или кДж/кг;

 Lд – объем воздуха на единицу топлива, м3/м3 или м3/кг;

 СВ и СГ – средние теплоемкости воздуха и топлива, кДж/(м3 оС).

Калориметрическую температуру находим методом последовательных приближений, используя понятие энтальпии.

Начальная энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле:

,

По значению задаемся возможным значением температуры горения и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания. Если , то истинная калориметрическая температура ниже, чем . Поэтому задаемся температурой и снова находим энтальпию продуктов сгорания. Если , то действительная калориметрическая температура продуктов сгорания лежит в интервале и может быть найдена по формуле:

.

Окончательное значение tk следует перевести в градусы Кельвина.

Расчет горения смеси природного и доменного газов.

Исходные данные для расчета

1. Состав сухого природного и доменного газов, %

2. Коэффициент расхода воздуха: n = 1,14;

3. Содержание влаги в доменном газе: Wд.г. = 44г/м3;

4. Содержание влаги в природном газе: Wп.г. = 0г/м3 (газ сухой);

5. Теплота сгорания смеси: ;

6. Температура подогрева воздуха и газа: tВ = 600оС = 873К;

   tГ = 400оС = 673К;

7. Температура уходящих продуктов сгорания (дыма): tП.Г. = 840оС = 1113К;

8. Расчет ведется на 1м3 газа.

Расчет состава природно-доменной смеси.

1. Пересчет состава сухого доменного газа на влажный.

Объемный процент водяных паров во влажном доменном газе:

.

Коэффициент пересчета состава сухого доменного газа во влажный (рабочий):

.

Рабочий состав доменного газа:

;

;

;

;

.

Таблица 1. Состав рабочего доменного газа.

2. Определение теплоты сгорания газов .

Природного газа:

.

Доменного газа:

.

3. Расчет состава смеси природного и доменного газов.

Принимаем долю доменного газа в природно-доменной смеси (ПДС) за x, тогда доля природного газа будет равна y = (1-x). Составляем уравнение:

,

где – исходная теплота сгорания смеси газов, МДж/м3.

Находим, что

.

у = (1-х) = 1-0,747 = 0,253.

Состав смешанного газа, %.

;

Таблица 2. Состав природно-доменной смеси.

Проверка:

Погрешность: 0,004%.

4. Плотность ПДС и воздуха.

Плотность ПДС.

.

Плотность воздуха.

5. Расход воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива.

Теоретический расход воздуха (n = 1).

Действительный расход воздуха (n = 1,14).

6. Расчет количества и состава продуктов сгорания.

Объем углекислого газа в ПГ:

Объем водяных паров в ПГ:

Объем азота в ПГ:

Объем избыточного кислорода в ПГ:

Общее количество ПС:

Состав ПС:

Таблица 3. Состав продуктов сгорания.

Плотность ПС:

7. Материальный баланс процесса горения.

8. Определение калориметрической температуры горения.

Находим начальную энтальпию продуктов сгорания по формуле, где известно физическое тепло подогретого газа и воздуха.

Физическое тепло газа:

где – теплоемкость подогретого газа при t = 400oC, найденная по формуле:

где:

1. теплоемкости , и т.д., а также Св – теплоемкость подогретого воздуха берем из таблицы №4 (Расчет горения газообразного топлива. Методические указания к курсу «Теплотехника», Алматы – 1983г.);

2. теплоемкости для газов метанового ряда берем из таблицы №5 (там же).

Физическое тепло подогретого воздуха:

.

Начальная энтальпия продуктов сгорания:

.

По величине , используя таблицу №7 (там же), находим приближенное значение .

Определяем энтальпию продуктов горения при этой температуре:

Значения , и т.д. находим из таблицы №6 (там же).

Полученное значение , значит, .

Находим – энтальпию продуктов сгорания при 2000оС:

Получилось, что , т.е. действительно калориметрическая температура лежит в интервале (), которая равна:

.

Использованная литература: Расчет горения газообразного топлива. Методические указания к

курсу «Теплотехника». – Алматы.: Минвуз Казахской ССР, 1983. – 32с.