Основы метода расчета неполного сгорания с учетом твердого углерода и метана в продуктах горения

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000г Вып.№9

' УДК 536.46

Гречко Т.В.1, Хииш Л.И.2

ОСНОВЫ МЕТОДА РАСЧЕТА НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ С УЧЕТОМ ТВЕРДОГО УГЛЕРОДА И МЕТАНА В ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ

В данной статье изложена методика расчета неполного сгорания с учетом наличия сажи и метана в продуктах горения.

Неполное сжигание топлива реализуется в нагревательных и термических печах для создания безокислительного или слабоокислительного нагревов. Для реализации необходимых температур в печи нужны определенные условия, которые устанавливаются в процессе расчета. Это требует разработки методики неполного горения топлива, которая отражала, по возможности, все особенности процесса.

Метод, предложенный В.Ф. Копытовым [1], предполагает отсутствие в продуктах горения метана и свободного углерода. Эти допущения хорошо выполняются при сжигании газа не содержащего метана[3]. При сжигании метаносодержащих и жидких топлив в продуктах горения содержится метан и свободный углерод. Исследования A.A. Скворцова [2] и др. показали, что при сжигании топлива содержащего метан с коэффициентом расхода воздуха а< в продуктах горения содержится свободный углерод в пределах 0,5- 3 г/м3 и СН4 до 1,5 %.

Таким образом при расчете неполного горения топлива, необходимо вносить поправки на содержание СН4 и свободного углерода и соответственно снижать пирометрический коэффициент. Скворцов A.A. и др. [2] предлагают для расчета использовать методику Копытова В.Ф.[1], но с обязательным учетом поправок, на метан и свободный углерод.

По рекомендации Скворцова A.A. [2] при сжигании топлива с коэффициентом расхода воздуха а< 0,7 можно принимать, что в продуктах неполного горения содержится.

0.5.1.5.%СН4 (при сжигании метаносодержащих газов) и 0,5-3 г/м3 свободного углерода. В связи с тем, что содержание СН4 и свободного углерода приводится в продуктах горения, необходимо предварительно оценить объем продуктов неполного сжигания..

В основу метода положены следующие допущения:

1. Отношение между СО2/СО и Н2О/Н2 в продуктах неполного горения устанавливаются в соответствие с константой равновесия водяного газа С02 + Н2 <->00+ Н20

2. Считается, что в продуктах сгорания наряду с С02, СО, Н20, Н2, N2 содержится сажистый углерод и метан. Тогда общее количество продуктов сгорания определяется как

упр.г = VCÜ2 + vCO + VH20 + Vh2 + VCHA 3. Для определения объема метана и содержания углерода в продуктах неполного горения

принимается, что их объем равен объему продуктов полного горения, в которых объем азота вносимого воздухом соответствует действительному коэффициенту подачи воздуха.

Исходные данные для расчета Для расчета неполного горения топлива по предлагаемому методу необходимо иметь следующие исходные данные:

1. Состав топлива.

2. Коэффициент расхода воздуха0"

1 ПГТУ.асс.

2 ПГТУ, доц.

3. Состав окислителя (воздуха).

4. Температура камеры сгорания.

Порядок расчета

1 Низшую теплоту сгорания сухого газообразного топлива подсчитывают по формулам:

= 0,01(12640 СО + 10800 Н2 + 35820 СН4 + 59100 С.Д4 + 63750 С~Н6 +

+ 91260 СзНа + 118700 СМю + 164100 СД2 + 23700 Н2Н).

где СО, Н2 и т.д. - процентное содержание индивидуальных газов в топливе, % ; и численные значения теплоты сгорания индивидуальных газов, кДж/м3. 2.Теоретический расход воздуха при а=1:

¿0от - тг— • Аэ2 >

ко2

где К0 . д0ЛЯ о2 в воздухе

Ln =0,01

U2

0,5СОТ +0,5H¡ -0¡

Л

т

где - кислород в топливе.

3. Теоретический расход влажного воздуха:

/^4 + 0.00124/'К-' <4>

где Г - влажность воздуха.

4. Определяем действительное количество воздуха, необходимое для безокислительного нагрева металла, т.е. при а<1:

1д = ¿0вла >

где ¿удд - теоретический расход воздуха, т.е. при а=1.

5. Количество азота, вносимого вместе с воздухом при а<1:

Ущ=а[\-Ко2Уовл,

6. Предварительно определяем объем продуктов неполного горения. Для этого принимаем, что их объем уменьшится лишь за счет уменьшения азота воздуха. Таким образом при определении объема продуктов неполного горения из объема продуктов горения, образующихся при горении топлива приа — ' 'необходимо исключить полностью азот воздуха при

а = 1 и добавить азот приа<1 Тогда предварительно определяемый объем продуктов неполного гонения рассчитывается по Лоомуле:

У пр.г = У пр. г -

7.Определяем содержание метана в продуктах неполного горения. Т.к. содержание в продуктах неполного горения принято в пределах 044=0,5 -1,5% тогда содержание метана в продуктах неполного горения.

í

УСНА = У пр. г ^ СИ 4 ,

где: =0,005-0,015

8. Определяем содержание свободного углерода, Принимаем, что содержание свободного углерода С, в продуктах неполного горения Iq = 0,0005 - 0,003.Тогда общее содержание свободного углерода в продуктах неполного горения составит.

мс=есУПр.г,

9. Количество разлагающегося метана

КДГ=1,87МС,

10. Количество выделяющегося водорода

V^=3,73MC,

"2

11. Объем СН4, не участвующий в горенйи

IrCHi =уСЩ,  а«

12. Составляем материальный баланс по углероду, водороду и кислороду в продуктах неполного горения.

<4 При неполном горении углерод в продуктах горения будет находиться в виде С02, СО, сажи (т.е. С твердый) и СН4, а водород в виде Н2, Н20 и СН4.

Введем следующие обозначения: Xс.02 > ^СО > ^НгО > ^Н2 " соответствующие объемы С02,

СО, Н20 и Н2 в продуктах неполного горения. Запишем следующие уравнения:

а) По балансу углерода:

VcoM =X + Y + Y,vch4 ,

б) По балансу водорода:

УНго+н2=г + и + 2ГСЩ,

где! VcH4 -количество СН4, не участвующих в горении

VCOn = 0,01 [С0Т2+СН1 +COT+j^m{cmnj)

=0,0\[АСНТЛ +H¡ +J^nCmHTn]+ 2-0,00124/r + 2-0,00124/« • L\

в) По балансу кислорода:

1VC02 + VC0 + 2Vg2 + 2Ko2 L0ma + VeHi0 + VTH%Q = 2X + Y + Z.

где COj, ChJ, COT, СmHn - % содержание в топливе соответствующих компонентов;

J rj-1 у J. ^ _

Vco , VC0,V0 ,VH 0 - количество СО2, СО, 02 ,Н20, соответственно, в топливе, м7м ; V* CJ - количество Н20, в воздухе,м3/м3;

Led - действительное количество воздуха, необходимое для сжигания 1 м3 газа при« = 1 ,м3/м3.

В связи с тем, что имеем четыре неизвестных (X, Y, Z, U), необходимо четвертое уравнение для решения системы уравнений.

В качестве четвертого уравнения записываем константу равновесия водяного газа. В уравнении константы равновесия водяного газа парциальные давления можно заменить на концентрации газов.

_ vcovh2O га "=VCOlVHl =хи- <16)

Константу равновесия определяют при температуре печи. Для интервала 500-1200 К из выражения:

1913

18Кв.г. = 1>75--

а для интервала 1300-1800 К из выражения :

7 ^ ЛЛА 1520

IgKe.e. =144--— ,

где Т - температура печи, К.

Таким образом, имеем систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными.

>со„ =* + г + £Усн4

Ун20+н2 =2Z + 2U + 4Vch¿

2VCÜ2 + VCO + + + + - 2X + Y W Z

к. YZ

в г xu

Решая данную систему, находят количество и состав продуктов неполного горения:

У„р.г = VC02 + VCO + VH20 +VH2 +VCIIü,

13. Определяется химический состав дымовых газов .

%С02 =  100% ; %СО = • 100% ; %Н20 =  100%; 1 V V V

у пр.г Y пр.г ' пр.г

Уи VrH VN

%Н2 =  100%; %СНа = — 100%; %N2 = —• 100% ¿ V V V

г пр.г г пр.г пр.?.

Кроме того в продуктах горения содержится Мс свободного углерода.

14. Определяем фактическую теплоту сгорания с учетом неполноты горения топлива:

вфакт = Qi - \coQ.cn + Vh2Qh2 + VCh4Qch4 +McQcI т

где Qf¡ - низшая теплота горения топлива, Мдж/м3

Усо 'Vfíi >Усн4 '^с - количество горючих составляющих в продуктах неполного горения, образовавшихся при сжигании единицы топлива,м3/м3

Qco ит. д. - тепловые эффекты горючих составляющих, МДж/м3 или Мдж/кг. Зная фактическое значение количества тепла <2фаКт > выделяющегося при неполном горении топлива, определяют фактическую энтальпию данного процесса по формуле:

— @Факт /91ч

'к.факт ~~т7 » пр.г

И для значения iK факт методом последовательных приближений определяют фактическую калориметрическую температуру ( 1к,факт ), получающуюся в процессе неполного горения.

15.Определяем необходимую теоретическую температуру горения. Т. к. действительная температура, которую необходимо создать в печи либо известна, либо ей задаются, то калориметрическую температуру горения можно определить по формуле:

'*= —, (22) Лпир

где t¿¡ - действительная температура печи, °С; r¡nup -пирометрический коэффициент.

В случае неполного сжигания топлива, с учетом образования свободного углерода, значение r¡nup снижается на 15 - 25 % , поэтому значение ijnup следует принимать 0,55 - 0,64.

16. Находят необходимую энтальпию продуктов горения соответствующую калориметрической температуре tK:

'пр.г - у—

Усо + усо2 -"со2 +Гсн4 4я4 +¥н2о ^н2о +

+ ун2 \ А +мс -С

пр.г

где Упр г - объем продуктов неполного горения на единицу топлива,м3/м3;

и т.д. - объем СО, С02, Ы2 и т.д. в продуктах неполного горения на единицу топлива, м3/м3; и т.д. - энтальпия, соответственно СО, С02, М2 и т. д., при калориметрической температуре, Мдж/м3. Если фактическая температура ниже необходимой, требуется подогрев воздуха, а в некоторых случаях и топлива.

17. Для определения необходимой температуры подогрева воздуха используем формулу:

акт + Ьюзд^д

Отсюда:

иши и /"МЧ

гпр.г = ~-у , (24>

"пр.г

'пр.г^пр.г

Температура подогрева воздуха 1.,, определяется для значения....... линейным интерполированием.

18. В случае, если температура воздуха превышает 1200 °С, необходимо снижать температуру подогрева воздуха и одновременно подогревать топливо.

В случае подогрева топлива и воздуха формула для определения энтальпии топлива имеет вид:

*топп ~ Апр.гАпр.г ~

В соответствии с 1топЛ методом последовательных приближений определяют температуру подогрева Топлива /„„„„,.

Выводы

В соответствии с предложенной методикой можно определить каким образом наличие сажи и метана,-а также обогащение кислородом воздуха, влияет на состав продуктов горения и калориметрическую температуру горения , что в свою очередь влияет на температуру подогрева воздуха и топлива. Из соотношений СО/СО2 и Н2Н20 можно определить какая окислительная или восстановительная среда образуется в процессе неполного горения.

Перечень ссыпок

1. Справочник конструктора печей прокатного производства /Под ред. В.М. Тымчака :В 2 т -М.: Металлургия, 1970.-Т.-1.130 с.

1. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Кузелев М.Я. Безокислительный и малоокислительный на-

грев стали под обработку давлением. -М.: Машиностроение,1968.-270 с.

2. Бергауз А.Л., Розенфельд Э.И. Повышение эффективности сжигания топлива в нагрева-

тельных и термических печах. Л.-:Недра,1984.-175 с.

Гречко Татьяна Витальевна. Ассистент кафедры ТТМП, окончила Приазовский государственный технический университет в 1994 год}'. Основные направления научных исследоваяий-исследование процессов безокислительного нагрева металла в рабочем пространстве методической печи; исследование влияния обогащения кислородом воздуха на нагрев металла в методических печах.

Хииш Леонид Иванович. Доцент кафедры ТТМП, окончил Мариупольский металлургический институт в 1954 году. Основные направления научных исследований - тепломассообмен в металлургических агрегатах.