Анализ спектра излучения продуктов сгорания газообразного топлива

А.М.Абдуллин

АНАЛИЗ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Ключевые слова: топливо, продукты сгорания, спектральная полоса поглощения, коэффициент поглощения.

В рамках модели широкой полосы проанализирован спектр излучения продуктов сгорания газообразного топлива, состоящих из H2O, CO2 и окиси углерода CO. Модель спектра содержит двенадцать спектральных полос. Некоторые из них возникают вследствие перекрывания спектральных полос этих газов.

Keywords: fuel, combustion products, the spectral absorption band, absorption coefficient.

The model analyzed in a broad band emission spectrum of products of combustion of gaseous fuel consisting of H2O, CO2 and carbon monoxide CO. The model range includes twelve spectral bands. Some of them are due to the overlap of the spectral bands of these gases.

В трубчатых печах нефтехимической промышленности в качестве топлива, как правило, используются разные горючие газы. Эти газы

существенно отличаются составом, теплотой

сгорания и температурой горения. Природный газ, чаще остальных используемый в качестве топлива, кроме метана, содержит значительное количество более тяжелых углеводородов (пропана, бутана, бензина и т. д.). Количество сернистых соединений в них колеблется от 0 до 5%.

Для достижения полноты сгорания

топливного газа необходимо обеспечить хорошее смешение газа с воздухом, сжигать газ с коэффициентом избытка воздуха а=1,05—1,15. Это соответствует содержанию в продуктах сгорания топлива 1-3% кислорода. Несоблюдение этих условий приводит к значительным потерям тепла вследствие химической неполноты сгорания.

При выборе топливного газа большое значение имеет не только теплота сгорания, но и температура горения топлива. Максимальная

температура горения топлива зависит как от теплоты сгорания, так и от количества образующихся топочных газов и их теплоемкости:

°Р

{ - { А____!—

1тах - 1о + е.с ,

где ^ - температура воздуха, подаваемого на

горелки; Пр - низшая теплота сгорания топлива;

О и С - количество продуктов сгорания и их теплоемкость. Поэтому оксид углерода СО, имеющий теплоту сгорания 12,7 МДж/м3, обладает более высокой температурой горения, чем метан с теплотой сгорания 35,7 МДж/м3.

В топочных газах содержатся азот N , продукты полного сгорания топлива Н2О и СО2, а также в небольших количествах кислород О2 , оксид углерода СО и сернистые соединения. В тепловых расчетах трубчатых печей используется «серая» модель спектра излучения топочных газов или модель широкой полосы [1,2]. В этих работах радиационные свойства топочной среды определены

в предположении полного сгорания топлива, т.е. учтены спектры излучения только водяного пара Н2О и двуокиси углерода СО2. Представляет интерес анализ спектра излучения продуктов сгорания, состоящих из Н2О, СО2 и СО, с учетом перекрывания спектральных полос и их интенсивности. Водяной пар Н2О имеет четыре основные спектральные полосы с центрами Х=10мкм; 6,3мкм; 2,7мкм; 1,5мкм. Спектральная полоса Х=1,5мкм объединяет две полосы с центрами Х=1,87мкм и Х=1,38мкм. Двуокись углерода СО2 имеет три спектральные полосы с центрами Х=15мкм; 4,3мкм; 2,7мкм [3,4]. Окись углерода СО имеет две спектральные полосы с центрами Х=4,67мкм и 2,35мкм [5].

На рис.1 представлено расположение и интенсивность спектральных полос поглощения газов Н2О, СО2 и СО в интервале спектра от 1мкм до 3мкм при температуре Т =1200К.

Рис. 1 - Расположение спектральных полос в области спектра от 1мкм до 3мкм

Параметры спектральных полос следующие.

Спектральная полоса Х=1,5мкм Н20. Центр полосы ю0=66ббсм"1, нижняя граница ю1=6321см"1, верхняя граница ю2=6873см-1. Коэффициент

линейного поглощения:

к* =

а

Л

'Л-Дш

Здесь Дш - эффективная ширина спектральной полосы, коэффициент поглощения полосы а^ определяется по формуле:

аЛ = 20,59-

X

0

т

— —2 —1

где температура Т0=300К, [а^ ] — СМ атм .

Полоса Х=2,35мкм СО. Центр полосы ю0=4258см"1. Эффективная ширина полосы:

( Т Л0,5 Дш — Дш, + а|

к ^1000] ’

где Дшк = 105см-1, а=218см-1. Коэффициент

поглощения полосы:

X

аЛ = 1.6^-^° Ф(Т),

где функция температуры имеет вид:

Ф(Т) =

л Г Ис 1 - ехр [- кт ш л Г Ье 1 - ехр I- кт ш

2

Ие

Здесь ----— 1,44К • СМ, ю01=2143см-1, ю02=4258см"

к

1 - основные частоты колебаний окиси углерода СО.

Спектральная полоса Х=2,7мкм Н2О.

Центр полосы ю0=3750см"1. Эффективная ширина полосы:

Дш = 256

,0,5

1+-

273

Коэффициент поглощения полосы:

Спектральная полоса Х=2,7мкм С02 . Центр полосы ю0=3715см"1. Эффективная ширина полосы:

Г т і0,5 Дш = 41 + 4071 —— I . ^1000]

Коэффициент поглощения полосы:

.273

ас = 18-

т

При температурах, характерных в

радиантных камерах трубчатых печей, спектральная полоса Х=2,7мкм Н20 полностью перекрывает

аналогичную полосу С02. Поэтому эти две спектральные полосы целесообразно объединить в

кЛ — + ксрс ^(Т),

где Pw, Рс - парциальные давления Н2О и СО2.

Функция температуры ^(Т) в диапазоне температур от 1000К до 2000К может быть представлена в виде зависимости [6]:

Л

I ЕЛ,TdЛ

2

/ ЕЛ,TdЛ Л1

= 0,611

т

,0,095

1000

Здесь Е

Л,т

поверхностная плотность

спектрального излучения а.ч.т., Хь Х4 - границы полосы поглощения Н20; Х2, Х3 - границы полосы поглощения С02.

Расположение и интенсивность

спектральных полос Х=4,3мкм С02 и Х=4,67мкм СО при температуре Т=1200К в области спектра от 3мкм до 6мкм представлены на рис.2.

Рис. 2 - Расположение спектральных полос в области спектра от 3мкм до 6мкм

Спектральная полоса Х=4,3мкм С02 . Центр полосы ю0=2350см-1. Эффективная ширина полосы:

0,5

Дш = 49 + 3961

1000 )

Коэффициент поглощения полосы:

ас — 2706Т0. с Т

Спектральная полоса Х=4,67мкм СО. Центр полосы ю0=2143см-1. Эффективная ширина полосы:

Л

Дш = 4381

Коэффициент поглощения полосы:

т

0

асо = 237 т

Полосы Х=4,3мкм СО2 и Х=4,67мкм СО перекрываются. Поэтому в расчетах следует выделить в отдельную спектральную полосу область перекрывания с коэффициентом линейного поглощения:

к — ксРс + ксоРсо Д Рс + Рсо

где Рсо - парциальное давление СО; кс, ксо -

коэффициенты линейного поглощения СО2 и СО, определенные по формуле (1). Нижняя и верхняя границы объединенной полосы:

Ш1 = 2350 - 0,5

0,5

49 + 3961

1000

0,5

ш0 = 2143 + 219І —

2 I1000

Рис. 3 - Расположение спектральных полос в области спектра 5 - 30мкм

Расположение и интенсивность

спектральных полос Х=6,3мкм; 10мкм Н20 и Х=15мкм С02 представлены на рис.3. Параметры полос следующие.

Спектральная полоса Х=6,3мкм Н20. Центр полосы ю0=1600см"1. Эффективная ширина полосы:

Г т і0,5

Дш = 2561 1 + —| .

I 273 ]

т

а, = 192,5—.

Л т

Спектральная полоса Х=10мкм Н2О. Центр полосы Юо=1000см_1. Эффективная ширина полосы:

0,5

Дш = 385

273 ]

Коэффициент поглощения полосы:

аЛ = 64,2^. Л т

Спектральная полоса Х=15мкм СО2. Центр полосы ю0=667см-1. Эффективная ширина полосы:

( Т Л0,5 Дш — 300| —— I .

1273 )

Коэффициент поглощения полосы:

а, = 179,3—.

Л т

Как следует из рисунков 2 и 3, спектральные полосы X = 4,67мкм СО и X

=6,3мкм Н2О при температуре Т=1200К, характерной продуктам сгорания в топках, перекрываются. Область перекрывания этих полос следует выделить в виде отдельной спектральной полосы. Нижняя и верхняя границы этой объединенной полосы определяются по формулам:

0,5

ш, = 2143 - 219І —

1 I1000

ш2 = 1600 +128 (1+^Гз

0,5

Суммарный коэффициент линейного поглощения кд вычисляется по формулам (1), (2),

(3) с учетом парциального давления газов и ширины полос Дш .

Две спектральные полосы возникают вследствие перекрывания полосой Х=10мкм Н2О двух полос поглощения Х=6,3мкм Н2О и Х=15мкм СО2 (рис.3). Параметры этих объединенных полос следующие.

Область перекрывания полос Х=6,3мкм и Х=10мкм Н2О. Нижняя и верхняя границы объединенной полосы:

ш1 = 1600 -128

,0,5

1 +

273 0,5

ш2 = 1000 +192,- (273

Область перекрывания полос Х=10мкм H2O и Х=15мкм CO2. Границы объединенной полосы:

Ш1 = 1000 -192,5 (2T3

ш2 = 667 +150 (273

5 (&Г

(—Г5

\273/

Суммарный коэффициент линейного поглощения кд этих объединенных полос вычисляются по формулам (1), (3) - (5).

Проведенный анализ показывает, что спектр излучения продуктов сгорания, состоящих из Н2О, СО2 и СО, имеет достаточно сложный

характер. В приведенной модели необходимо выделить двенадцать спектральных полос, одну полосу образует «окно» прозрачности спектра

излучения продуктов сгорания топлива.

Литература

1. Вафин, Д.Б. Дифференциальный метод теплового расчета топок. Д.Б. Вафин.- Казань: РИЦ «Школа», 2008.-114с.

2. Вафин, Д.Б. Д.Б Вафин, А.М.Абдуллин. Вестник Казанского технологического университета, 1, 2009.-С.90 - 96.

3. Пеннер, С.С. Количественная молекулярная

спектроскопия и излучательная способность газов / С.С. Пеннер.- М: ИЛ, 1963.- 492с.

4. Edwards, D.K. Advances in Heat Transfer, New York, 12, 1979.- P.115-193.

5. Каменщиков, В.А. Радиационные свойства газов при

высоких температурах / В.А.Каменщиков,

Ю.А.Пластинин, В.М.Николаев, Л.А.Новицкий.- М: Машиностроение, 1971.- 440с.

6. Абдуллин, А.М. А.А.Казеннов, Р.А.Хаматгалеев, М.А.Харичко.- Казань, КХТИ: Межвуз. сб. Тепло- и массообмен в химической технологии , 1988.- С. 1016.

© А.М. Абдуллин - канд. техн. наук, доцент кафедры физики НХТИ ФГБОУ ВПО «КНИТУ», dia.ram93@gmail.ru.