Примеры расчетов горения топлива

Для расчета горения топлива можно использовать два метода:

-табличный;

-расчетный.

В рассмотренных ниже примерах будем использовать оба метода.

Пример 1.

Определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания и калориметрическую температуру горения мазута. Его состав следующий, %: C^Р=85, 6, Н^Р=10, 5, N^Р=0, 7, О^Р=0, 5, S^Р=0, 7, А^Р=0, W^Р=2. Провести расчет при величине коэффициента избытка воздуха n=1, 15. Температура подогрева воздуха t_В=300 ˚ С.

Решение:

Расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания определим, пользуясь табличным методом. Для удобства расчет горения жидкого топлива следует вести на 100 кг горючего.

В основу расчета положены реакции полного сгорания отдельных элементов:

С + О₂ = СО₂

Н₂ + ½ О₂ = Н₂О

S + О₂ = SО₂

Таблица 5 – Форма таблицы для записи результатов определения расхода воздуха, количества и состава продуктов

сгорания

Для определения калориметрической температуры необходимо знать теплоту сгорания топлива. Для жидкого топлива ее можно определить по формуле Д. И. Менделеева (см. табл. 3).

=339 ∙ 85, 6 + 1030 ∙ 10, 5 – 109 (0, 5 – 0, 7) – 25 ∙ 2 = 39805, 2 кДж/кг

Определим энтальпию продуктов сгорания при условии, что воздух подогрет до 300 ˚ С:

I₀= кДж/м³

Задаемся возможной температурой горения t_К = 1800˚ С.

Для этой температуры энтальпия продуктов сгорания (см. приложение 3) будет равна:

СО₂ + SО₂......... (0, 1268+0, 00039) ∙ 4360, 67=553, 81

Н₂О....................... 0, 0954 ∙ 3429, 9=327, 21

О₂.........................0, 2609 ∙ 2800, 48=730, 65

N₂.........................0, 7514 ∙ 2646, 74=1988, 76

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого.................................... 3600, 43 кДж/м³

Поскольку I₀< I_{1800 ˚ С}, то действительная калориметрическая температура будет ниже 1800 ˚ С.

Примем t_К = 1700 ˚ С, тогда энтальпия составит

СО₂ + SО₂......... (0, 1268+0, 00039) ∙ 4087, 1=519, 06

Н₂О....................... 0, 0954 ∙ 3203, 05=305, 57

О₂.........................0, 2609 ∙ 2632, 09=686, 71

N₂.........................0, 7514 ∙ 2486, 28=1868, 19

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого.................................... 3380, 05 кДж/м³

Поскольку I_{1800 ˚ С}< I₀, действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1700 – 1800 ˚ С. Калориметрическую температуру горения определяют интерполяцией:

t_К=1700 + 1775 ˚ С.

Пример 2.

Для случая сжигания смешанного газа (смеси коксовального и природного газов) с теплотой сгорания 12 МДж/м³ определить расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при коэффициенте расхода (избытка) воздуха n=1, 2. Температура подогрева, воздуха 400 ˚ С. Составить материальный баланс процесса горения.

Состав генераторного газа из тощих топлив (топливо А), %: СО₂=6, СО=27, Н₂=13, СН₄=0, 6, N₂=53, 4. Влажность топлива А W_А=24 г/м³.

Состав природного Бугурусланского газа (топливо Б), %: СН₄=77, 8, С₂Н₆=4, 4, С₃Н₈=1, 7, С₄Н₁₀=0, 8, СО₂=0, 2, Н₂S=1, N₂=14. Влажность топлива Б W_Б=4, 5 г/м³.

Решение:

1) Производим пересчет с сухой массы на влажную:

;

.

Расчёт для газа А:

5, 83 + 26, 22 + 12, 62 + 51, 85 + 0, 58 + 2, 89 = 99, 99 100.

Расчёт для газа Б:

0, 20 + 77, 38 + 1, 69 + 0, 80 + 13, 92 + 0, 99 + 4, 38 + 0, 56 = 99, 92 100.

2) Определим теплоту сгорания каждого газа:

Q^р_н = 127 СО + 108 Н₂ + 358 СН₄ + 590 С₂Н₄ + 555 С₂Н₂ + 635 С₂Н₆ + 913 С₃Н₈ +1185 С₄Н₁₀ + 1465 С₅Н₁₂ + 234 Н₂S

Q^р_{н (А)} = 127 · 26, 22 + 108 · 12, 62 + 358 · 0, 58 = 4900, 54 кДж/м³

Q^р_{н (Б)} = 358 · 77, 38 + 635 · 4, 38 + 913 · 1, 69 + 1185 · 0, 8 + 234 · 0, 99 = =33205, 97 кДж/м³

3) Определим состав смеси 2-х топлив:

Для этого прежде всего определим долю топлива А в смеси, которую обозначим через а:

Посчитаем состав смеси:

Х^СМ=Х^Аа+Х^Б(1-а)

СО₂^см = СО₂^А а + СО₂^Б (1-а) = 5, 83 · 0, 75 + 0, 20 · 0, 25 = 4, 42 %

СО^см = 26, 22 · 0, 75 = 19, 67 %

Н₂^см = 12, 62 · 0, 75 = 9, 47 %

СН₄^см =0, 58 · 0, 75 + 77, 38 · 0, 25 = 19, 78 %

N₂^cм = 51, 85 · 0, 75 + 13, 92 · 0, 25 = 42, 38 %

С₃Н₈^см =1, 69 · 0, 25 = 0, 42 %

С₄Н₁₀^см =0, 8 · 0, 25 = 0, 20 %

С₂Н₆^см = 4, 43 · 0, 25 = 1, 1 %

Н₂S^см = 0.99 · 0, 25 = 0, 25 %

Н₂О^см = 2, 89 · 0, 75 + 0, 56 · 0, 25 = 2, 31 %

4, 42 + 19, 67 + 9, 47 + 19, 78 + 42, 38 + 0, 42 + 0, 20 + 0, 25 + 1, 1 + 2, 31 = 99, 99

4) Определим расход воздуха, состав и количество продуктов сгорания в табличной форме. Расчет ведём на 100 м³ газа.

5) Для проверки правильности расчета составим материальный баланс. Расчет является верным, если погрешность не превышает 5%.

Поступило, кг: Получено, кг:

В том числе:

Топливо

СО₂ =4, 42 · 1, 96 = 8, 66 СО₂ = 48.13 1.96 = 94.33

СО = 19, 67 · 1, 25 = 24, 59 Н₂О = 57.56 0.8 = 46.05

Н₂ = 9, 47 · 0, 09 = 0, 85 О₂ = 21.18 1.43 = 30.29

СН₄ = 19, 78 · 0, 71 = 14, 04 N₂ = 328.3 1.25 = 410.38

N₂ = 42, 38 · 1, 25 = 52, 98 SO₂ = 0.25 2.86 = 0.72

C₃Н₈ = 0, 42 · 1, 96 = 0, 82 ––––––––––––––––––––––

C₄Н₁₀ = 0, 2 · 2, 59 = 0, 52 Итого 581, 76

Н₂S = 0, 25 · 1, 52 = 0, 38

C₂Н₆ = 1, 1 · 1, 34 = 1, 47

Н₂О = 2, 31 · 0, 8 = 1, 85

Воздух

О₂ = 74, 1 · 1, 43 = 105, 96

N₂ = 277, 44 · 1, 25 = 346, 80

–––––––––––––––––––––––––

Итого 558, 90

Погрешность

Из таблицы следует, что для сжигания 100 м³ необходимо затратить 351, 54 м³ воздуха, при данной величине коэффициента избытка воздуха, равной 1, 2. При этом образуется продуктов сгорания 455, 42 м³.

6) Определим калориметрическую температуру горения:

Для этого необходимо найти начальную энтальпию (теплосодержание) 1м³ продуктов сгорания:

I = I_o + I_в + I_г

где I_o, I_в, I_г – соответственно количества тепла, получаемые от сжигания топлива и

вносимые подогретым воздухом и газом.

Таким образом, количества тепла, получаемое от сжигания топлива в расчёте на единицу объёма продуктов сгорания, будет равно

Количества тепла, вносимое подогретым воздухом, может быть определено следующим образом:

где с_в – теплоемкость воздуха при 400^оС

Таким образом, энтальпия продуктов сгорания составит

Задаемся возможной температурой горения t_К = 1800˚ С.

Для этой температуры энтальпия продуктов сгорания (см. приложение 3) будет равна:

СО₂ + SО₂......... (0, 106+0, 0006) ∙ 4360, 67=464, 847

Н₂О....................... 0, 1264 ∙ 3429, 9=433, 539

О₂.........................0, 0465 ∙ 2800, 48=130, 222

N₂.........................0, 721 ∙ 2646, 74=1908, 3

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого.................................... 2936, 908 кДж/м³

Поскольку I₀> I_{1800 ˚ С}, то действительная калориметрическая температура будет выше 1800 ˚ С.

Примем t_К = 1900 ˚ С, тогда энтальпия составит

СО₂ + SО₂......... (0, 106+0, 0006) ∙ 4634, 76 = 489, 89

Н₂О....................... 0, 1264∙ 3657, 85 = 462, 35

О₂.........................0, 0465 ∙ 2971, 30 = 138, 17

N₂.........................0, 721 ∙ 2808, 22 = 2024, 33

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Итого.................................... 3114, 74 кДж/м³

Поскольку I_{1900 ˚ С}> I₀, действительная калориметрическая температура лежит в пределах 1800 – 1900 ˚ С. Калориметрическую температуру горения определяют интерполяцией:

t_К=1800 + 1867 ˚ С.