Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива в котле и промышленном парогенераторе рассчитывают по стехиометрическим уравнениям горения, которые записывают для 1 км для каждой горючей составляющей.
- Теоретический и действительный расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива. Стехиометрические уравнения горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид:
- углерода С + О2 = СО2:
- 12 кг С + 32 кг О2 = 44 КГ СО2;
- 1 кг С + (32 : 12) кг O2 = (44 : 12) кг СO2 (18.21)
- cеры S + O2 = SO2:
- 32 кг S + 32 кг O2 = 64 кг SO2;
- 1 кг S + 1 кг O2 = 2 кг SO2; (18.22)
- водорода 2Н2 + O2 = 2Н2О:
- 4 кг Н2 + 32 кг О2 = 36 кг Н2О;
- 1 кг Н2 + 8 кг О2 = 9 кг Н2 (18.23)
- В топливе находится Ср/100 кг углерода, Sр/л 100 кг летучей серы, Нр/100 кг водорода и Ор/100 кг кислорода. Следовательно, суммарный расход кислорода, необходимого для горения 1 кг топлива, по стехиометрическим уравнениям будет равен:
Массовая доля кислорода в воздухе равна 0,232. Тогда массовое количество воздуха определяют из формулы:
При нормальных условиях плотность воздуха р0 = 1,293 кг/м3.
Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива легко рассчитать как:
V0 = M0/1,293 м3 воздуха/кг топлива.(18.26)
- Таким образом,
- V0 = 0,0889 (Ср + 0,375Sp/л) + 0,265Нр — 0,033Ор(18.27)
- Для газообразного топлива расход V0 определяют, исходя из объемных долей горючих компонентов, входящих в состав газа, с использованием стехиометрических реакций:
- Н2 + 0,5О2 = Н2О;
- СО + 0,5О2 = СО2;
- СН4 + 2О2= СО2 + 2Н2О;
H2S+1,5О2 = SО2+H2О. (18.28)
Теоретическое количество воздуха, м3/м3, необходимого для сжигания газа, определяют по формуле:
Объемную концентрацию компонентов, %, подставляют в уравнение (18.29). Если данных о концентрации непредельных углеводородов нет, считают, что они состоят из С2Н4.
Количество воздуха Vn, рассчитываемого по стехиометрическим уравнениям (18.27) и (18.29), называется теоретически необходимым, т. е. величина V0 представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1 м3) топлива при условии, что весь кислород в нем и кислород, содержащийся в топливе, будут использованы при горении.
Из-за определенных трудностей в организации процесса полного перемешивания топлива с воздухом в рабочем объеме топок могут появиться области, где будет ощущаться местный недостаток или избыток окислителя.
В результате этого качествои и расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива ухудшается. Поэтому в реальных условиях воздух для горения топлива подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством V0.
Отношение действительного количества воздуха, подаваемого в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:
α = Vд/V0.(18.30)
При проектировании и тепловом расчете топок или других камер сгорания значение а выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, способа сжигания и конструктивных особенностей топочных камер. Значение а колеблется в пределах 1,02 — 1,5.
Состав и количество продуктов полного сгорания топлива. Продукты полного сгорания топлива при α = 1 содержат: сухие (неконденсирующиеся в котельном агрегате) трехатомные газы СO2 и SO2;
Н2O — водяной пар, полученный при горении водорода; N2 — азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха.
Кроме того, в состав продуктов сгорания входят водяной пар, получающийся при испарении влаги топлива, пар, вносимый в топку с влажным воздухом, и пар, используемый иногда при сжигании мазута для распыления.
При температуре продуктов сгорания ниже температуры точки росы водяной пар конденсируется. При полном горении с α = 1 в продуктах сгорания будут содержаться только СO2, SO2, Н2O и N2; если α > 1, то в них будет присутствовать и избыточный воздух, т. е.
дополнительное количество кислорода и азота.
Процентное содержание соответствующих газов по объему обозначим через СO2, N2,SO2 и т. д. , а через Vсо2, Vso2, Vn2, и т.д. — их объемы, получающиеся при сжигании 1 кг (1 м3) топлива, приведенные к нормальным условиям (индекс 0 показывает, что расчеты производятся при α = 1). Тогда получим:
- СО2 + SO2 + N0/2 + Н2O2 = 100 %
- или
- V0/r = Vco2 + VS2O + V0/N2 + V0H2O(18.31)
- Где Vo/r — суммарный объем продуктов сгорания, приведенный к нормальным условиям, м3/кг.
Для упрощения расчетов объемы сухих трехатомных газов подсчитывают совместно и сумму их условно обозначают символом RO2, т. е.
Vro2 = Vco2 + Vso2(18.32)
Сумма первых трех компонентов в равенстве (18.31) представляет собой объем сухих газов Vс.p и, следовательно,
Vor = Voc.г + V0H2O (18.33)
где V0c.r = Vro2 + V0N2
Величины V0N2, V0Н2О, V0c.r, V0 и Vro2 — это теоретические объемы газов при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива.В соответствии с уравнениями (18.21) и (18.22) масса трехатомных газов равна:
Плотности двуокиси углерода и сернистого газа, приведенные к нормальным условиям, соответственно равны рсо2 = 1,964 кг/м3 и Pso2 = 2,86 кг/м3. Тогда объем трехатомных газов VRO2 можно определить по формуле:
Теоретический объем водяных паров, образующихся при горении водорода VrH2O, определяем в соответствии с уравнением (18.23). К этому объему необходимо добавить объем пара, образующегося при испарении влаги топлива VrH2O.
объем форсуночного пара VфH2O и объем водяного пара, содержащегося в воздухе Vвз Н2О тогда:
- где 0,805 — плотность водяного пара при нормальных физических условиях, кг/м3; Wф — расход форсуночного пара (принимается Wф = 0,3 ÷ 0,35 кг/кг),
- d — влагосодержание воздуха (обычно принимается d = 13 г/м3).
- Полный теоретический объем водяные паров определяют по формуле:
- V0 H2O = 0,111Нр + 0,0124 Wр+ 1,24 Wф + 0,0161 V0 (18.41)
Теоретический объем азота (1 м3 на 1 кг топлива) при α = 1 состоит из азота воздуха и азота топлива, т. е.
где pN2 = 1,25 — плотность азота, кг/м3.
При коэффициенте избытка воздуха α > 1 в состав продуктов сгорания дополнительно будут входить избыточный воздух и водяные пары, вносимые с этим воздухом. Объемы продуктов сгорания приα = 1 называются действительными объемами.
Действительные объемы составят:
Величина VRO2 не зависит от значения коэффициента избытка воздуха.
Теоретические объемы продуктов сгорания 1 м3 газообразного топлива рассчитывают на основании стехиометрических реакций (18.28). При полном горении горючих составляющих газообразного топлива СО, Н2 и СmНn образуются двуокись углерода СO2 и водяные пары. При сгорании сероводорода H2S помимо водяных паров образуется сернистый газ SO2.Объем трехатомных газов, м3/м3,
где а — влагосодержание газа, г/м3.
Объем азота, сухих газов и суммарный объем продуктов сгорания, так же как для жидкого и твердого топлив, определяют по формулам (18.42), (18.33) и (18.31).
При α > 1 действительный объем водяного пара, сухого газа и полный объем продуктов сгорания находят по формулам (18.43), (18.45) и (18.46). Если состав непредельных углеводородов СnН2n, входящих в газ, неизвестен, а общее их содержание не превышает 3 %, то в расчете они учитываются как С2Н4.
Расчеты горения по результатам анализа газов. Газовый анализ продуктов горения предназначен для контроля качества (полноты) сжигания топлива. Для этой цели используют химические газоанализаторы типа ВТИ и ГПХ — 3.
Принцип их действия основан на избирательном поглощении компонентов, входящих в продукты сгорания, химическими реагентами, которыми заполнены поглотительные колонки газоанализатора.
Например, для поглощения RO2 используют раствор КОН, а для поглощения О2 — щелочной раствор пирогаллола С6Н3(ОН)3.
В настоящее время широко применяют хроматографический газовый анализ, основанный на физических методах разделения газовых смесей на составляющие их компоненты. Принцип действия хроматографа базируется на различии адсорбционных свойств различных газов при их прохождении через слой сорбента (силикагеля).
Расчеты по результатам газового анализа производятся на объем сухих газов.
Определение окиси углерода при горении твердого и жидкого топлив. При неполном горении топлива в продуктах сгорания всегда содержится некоторое количество окиси углерода СО. Уравнение состава сухих продуктов сгорания имеет вид
По результатам анализа газов определяют процентное содержание RO2 И O2 в продуктах сгорания.
Определение СО методом поглощения нежелательно из — за достаточно большой погрешности метода. Поэтому содержание СО в газах определяют расчетным путем.
При полном горении чистого углерода и α = 1 продукты сгорания содержат СO2 и N2, при этом СОмакс2 = ROмакс2 = 21 %. В горючей массе ископаемых топлив кроме углерода всегда содержится некоторое количество водорода. Поэтому концентрация ROмакс2 в сухих продуктах сгорания всегда меньше 21 %, т. е.
с понижением содержания углерода и серы в топливе значение ROмакс2 также снижается. Существует некоторая безразмерная величина, с помощью которой можно установить соотношение между элементарным составом топлива и содержанием трех атомных газов в сухих продуктах сгорания.
Эта величина называется топливной характеристикой, и обозначают ее буквой β.
Исходя из сказанного можно считать, что
Значения ROмакс2 и β для каждого вида топлива определенного состава постоянны (табл. 18.4).
Таблица 18.4. значения ROмакс2 И β для некоторых видов топлива.
- По мере увеличения коэффициента избытка воздуха β сверх единицы в сухих продуктах полного сгорания в результате избытка воздуха будет появляться свободный кислород и RО2 < ROмакс2. При известном значении α содержание RО2 можно приближенно определять по эмпирической формуле:
- RО2 = ROмакс2/α(18.52)
- В специальной литературе выводится так называемое уравнение полного горения топлива:
RО2 + О2 = 21 β RO2. (18.53)
Если правая и левая части уравнения (18.53) не равны между собой, то полного сгорания нет, и в этом случае разность (21 — βPRО2l) – ( RO2 + O2) = z называется характеристикой неполноты сгорания топлива.
Уравнение неполного горения топлива записывают в следующем виде:
21 — β RO2 = RO2 + O2 + (0,605 + β) СО.(18.53')
Зная содержание RО2 и O2 в дымовых газах и величину β, количество окиси углерода можно определить по следующей формуле, получаемой из равенства (18.53'):
При использовании хроматографического метода газового анализа необходимость вычисления СО по формуле (18.54) отпадает, так как содержание окиси углерода можно определить непосредственно на хроматографе.
Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива при неполном горении. Объем сухих продуктов сгорания определяют по результатам анализа газов в соответствии с уравнением (18.49) следующим образом. Процентное содержание RO2 в газах:
Содержание СО определяют по равенству (18.54). Окончательно получают
Определение горючих CO ставляющих СО, СН4 и Н2 при неполном горении газообразного топлива. Уравнение состава сухих продуктов сгорания можно записать в следующем виде:
Содержание СН4 и Н2 в горючей части продуктов сгорания, как правило, бывает невелико. Основную часть составляет окись углерода. По результатам химического анализа газов определяют содержание RО2 и О2.
- Хроматографическим методом газового анализа можно определять все составляющие горючей части продуктов сгорания СО, СН4 и Н2.
- Если известны результаты анализа только по RО2 и О2, то для определения СО в газах значение топливной характеристики β принимают по справочным данным или при известном составе исходного горючего газа β определяют расчетным путем с обязательным учетом содержания СОт2 в газе:
- Следует отметить, что для искусственных газов, в которых содержится большое количество COт2, топливная характеристика β может оказаться отрицательной.
Определение коэффициента избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха определяется по данным газового анализа сухих продуктов сгорания. Для случая полного горения, когда в продуктах сгорания отсутствуют горючие составляющие СО, СН4, Н2
- При неполном горении
При полном сгорании топлива и известном значении ROмакс2 для определения можно воспользоваться формулой (18.52).
Пример. Определить низшую и высшую теплоту сгорания природного саратовского (елшанского) газа, имеющего следующий объемный состав, %: СН4 — 94, С2Н6 — 1,8, С3Н8 — 0,4, С4Н10 — 0,1, С5Н12 — 0,1,
СО2 — 0,1, N2 — 3,5.
Решение: 1. Низшая теплота сгорания, кДж/м3, составляет: метана СН4 — 35,8 × 103, этана С2Н4 — 64,6 ×103, пропана С3Н8 — 91,5 × 103, бутана С4Н10 — 119,0 ×103, пентана С5Н12 — 146,5 × 103.
- По формуле (18.6) определяем
- Qcn = (35,8×94 + 64,6×1,8 + 91,5×0,4+ 119×0,1 + 146,5×0,1) 103×0,01 = 35 300 кДж/м3.
- Высшая теплота сгорания, кДж/м3, составляет: метана СН4 — 39,8 × 103, этана С2Н4 — 70 × 103, пропана С3Н8 — 99,5 ×103, бутана С4Н10 — 28,5 × 103, пентана С8Н12 — 157,5 ×103.
- По формуле (18.17) находим
- Qсв = (39,8 × 94 + 70 × 1,8 + 99,5 × 0,4 + 128,5 × 0,1 +157,5 × 0,01) 103 × 0,01 = 39 300 кДж/м3.
Научная электронная библиотека Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
По общепринятой методике объемы продуктов сгорания и воздуха выражаются в кубических метрах при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.) при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива.
Для выполнения теплового расчета топки и отдельных поверхностей нагрева котлоагрегата необходимо заранее подготовить таблицы объемов, энтальпий воздуха и продуктов сгорания по газоходам котла с учетом изменения избытка воздуха в них [1].
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива при избытке воздуха ? = 1 для твердого и жидкого топлива, определяется по формуле [2, 3]:
для газообразного топлива
Здесь и в дальнейшем Ср, Sр и другие величины, характеризующие состав топлива, берутся из табл. П.4 [3] и подставляются в формулы в процентах.
– для твердого топлива и мазута
– для природного газа
для природного газа
Теоретический объем водяных паров для твердого топлива и мазута определяется
где Gф – расход пара на паровое распыливание мазута в паромеханических форсунках и при подаче пара под колосниковую решетку при сжигании низкореакционного твердого топлива типа А, ПА и Т (Gф = 0,03…0,05 кг/кг).
для природного газа
, м3/м3; (2.14)
здесь dr – влагосодержание газообразного топлива, г/м3 (обычно dr ? 10).
В табл. П.4 [3] приведены расчетные теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания для топлив.
Действительные объемы продуктов сгорания при избытке воздуха в газоходах ?i > 1 определяют по формуле
(2.15)
Расчет объемов продуктов сгорания в поверхностях нагрева сводят в таблицу по типу табл. 2.3, составленной для прямоточного парового котла с промежуточным перегревом пара и регенеративным воздухоподогревателем.
При другой компоновке поверхностей нагрева для заданного в проекте (выбранного) типа котла и в зависимости от вида сжигаемого топлива последовательность расположения и вид поверхностей вдоль газового тракта, а также коэффициенты избытка воздуха могут быть другими.
Таблица 2.3 – Объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов и концентрация золовых частиц
| Величина и расчетная формула | Газоход | ||||
| Топочная камера, ширмы | ПП высокого давления | Промежуточный ПП | Переходная зона | Экономайзер | Воздухподогреватель |
| Коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева | |||||
| Средний коэффициент избытка воздуха в поверхности нагрева ?ср | |||||
| Объем водяных паров, м3/кг, | |||||
| Полный объем газов, м3/кг, | |||||
| Полный объем газов с учетом рециркуляции | |||||
| Объемная доля трехатомных газов | |||||
| Объемная доля водяных паров | |||||
| Доля трехатомных газов и водяных паров | |||||
| Безразмерная концентрация золовых частиц, кг/кг, |
Объемы газов и водяных паров определяются по среднему коэффициенту избытка воздуха в поверхности нагрева, равному полусумме значений на входе в поверхность и выходе из нее. По среднему объему газов в поверхности определяется в дальнейшем средняя скорость газового потока, определяющая конвективный теплообмен.
В табл. 2.3 включены также объемные доли трехатомных газов и концентрация золовых частиц в продуктах сгорания, необходимые для последующего расчета лучистого теплообмена. Доля золы, уносимой потоком газа , выбирается по табл. 2.4.
Таблица 2.4 – Расчетные характеристики камерных топок при D > 75 т/ч
| Твердое топливо (q3 = 0) | ||||
| Вид топочного устройства | Топливо | Допустимое тепловое напряжение топочного объема qV, кВт/м3 | Потеря теплоты q4, % | Доля уноса золы из топки aун |
| Камерная топка с твердым удалением шлака |
|
|
|
|
| Камерная топка с жидким шлакоудалением |
|
|
|
|
* Меньшие значения – для топлив с приведенной зольностью AП 1,02 в основном определяются потерей q3. Для котлов большой производительности (D > 420 т/ч) потери q3 + q4 следует принимать равными 0,1 %.
|
Расчет процесса горения природного газа
⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 12Следующая ⇒
Состав природного газа, используемого в котельном цехе № 3 в качестве топлива, представлен в таблице 3.2
Таблица 3.2 Состав природного газа.
| Наименование | Обозначение | Размерность | Величина |
| Метан | CН4 | % | 98,172 |
| Этан | С2Н6 | % | 0,46261 |
| Пропан | С3Н8 | % | 0,22532 |
| Бутан | С4Н10 | % | 0,0934 |
| Пентан | С5Н12 | % | 0,0214 |
| Двуокись углерода | СО2 | % | 0,02244 |
| Кислород | О2 | % | 0,026561 |
| Азот | N2 | % | 0,97638 |
| Низшая теплота сгорания топлива при t=20 0C | ккал/м3 |
- Объемы воздуха и продуктов сгорания определяются на 1 м3 сухого газообразного топлива при нормальных условиях.
- Расчет производится согласно нормативному методу
- Расчет объемного состава и энтальпии продуктов сгорания газообразного топлива.
- где H2 ,CO — содержание отдельных газов в топливе в %;
- m и n числа атомов углерода и водорода в химической формуле углеводородов, входящих в состав топлива.
- Теоретическое количество воздуха в м3/м для сжигания 1 кг топлива
- находим по формуле [17]
- где V0 — теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания
- 1 нормального кубического метра топлива, м3/м3;
- ρв= 1,225 плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3;
- ρг =0,73 плотность природного газа при нормальных условиях, кг/м3
м3/м3
- Где Gкт— расход газа за ГТУ, кг/с;
- Gгт— расход сжигаемого в КС ГТУ топлива, кг/с.
- Gв= 67-1,5=65,5 кг/с.
- Коэффициент избытка воздуха αКТ в камере сгорания находим по формуле [17]
- , (3.6)
- где Gв — расход воздуха необходимый для сжигания топлива, кг/с;
- V0 — теоретическое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг.
- =6,88
- Объемный состав продуктов сгорания газообразного топлива находим по формуле [17]
- (3.7)
- (3.8)
- (3.9)
- (3.10)
- где αкт — коэффициент избытка воздуха в камере сгорания;
- V0 — теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 нормального кубического метра топлива, м3/м3.
- Полный относительный объем продуктов сгорания газового топлива находим по в формуле [17]
- , (3.11)
- где — объемный состав продуктов сгорания газообразного топлива, м3/м3.
- Объемные доли продуктов сгорания находим по формуле [17]
- (3.12)
- (3.13)
- (3.14)
- (3.15)
- где — объемный состав продуктов сгорания газообразного топлива, м3/м3;
- Vг — полный относительный объем продуктов сгорания газового топлива, м3/м3.
- Молекулярную массу продуктов сгорания в г/моль находим по формуле [11]
- (3.16)
- Где — объемные доли компонентов топливного газа.
- Находим параметры βГ для газовой смеси известного состава [11]
- (3.17)
- Где — объемные доли компонентов топливного газа.
- Расчет дымовой трубы
Принимается для ГТУ отдельная дымовая труба, устанавливаемая после котла-утилизатора. Размеры ее (высота и диаметр устья) определяются из условия обеспечения предельно допустимой концентрации NO2 в окружающем воздухе (ПДК) при нагрузке котла-утилизатора в номинальном режиме со средней температурой окружающего воздуха за наиболее холодный месяц, равной –14,9 0С.
Диаметр дымовой трубы будем считать по расходу уходящих газов при сжигании природного газа, т.к. их расход больше, чем при сжигании мазута.
Имеем: суммарный объем уходящих газов после котла-утилизатора при объемном расходе 67,48 м3/с. Равен 243 тыс. нм3/ч; средняя температура газов при входе в дымовую трубу 110 0С. Температуру газов на выходе из дымовой трубы с учетом охлаждения в дымовой трубе принимаем равной 90 0С.
- Объемный расход газов 1, выходящих из дымовой трубыопределяем по формуле
- , (3.18)
- где Vг – суммарный объем уходящих газов после котла-утилизатора
- tкух – средняя температура газов при входе в дымовую трубу
- tух – температура газов на выходе из дымовой трубы с учетом охлаждения в трубе.
- Объемный расход составит
- м3/с
Выходную скорость газов принимаем 18 м/с (согласно стр. 141 из [9]).
- Требуемый диаметр устья трубы в мм определяется по формуле
- , (4.19)
- Принимаем к установке дымовую трубу по типовому проекту с диаметром устья 2,1 м (согласно СНИП II-35-76 КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ).
- Действительная выходная скорость газов в м/с определяется по формуле
- (3.20)
- Высота дымовой трубы определяется по условиям рассеивания в воздушном пространстве вредных выбросов, ПДК которых в окружающем воздушном пространстве регламентируется санитарными нормами.
- Минимально допустимая высота дымовой трубы НМИН, м, подсчитывается из условия предельно допустимых концентраций NO2 , в атмосфере по формуле (6-4 из [9]):
- (3.21)
- где А – коэффициент, зависящий от метеорологических условий местности (для Урала А=160);
- М – выброс NO2, г/с ; М= 67,48·0.05= 3,3 г/с
- F – коэффициент (при расчете по SO2 принимается равным 1);
- ПДК – предельно допустимая концентрация NO2;
- V1 – секундный объем газов, выбрасываемых из трубы, м3/с;
- ΔТ – разность температур между выходящими из трубы газами и окружающим воздухом, 0С.
- Выбросы окислов азота в г/м3 определяется по формуле
- (3.22)
- где Z- Уровень выброса вредных веществ, г/ м3
- г/с
- Выброс окислов азота при природного газа составит 3,3 г/с.
- Минимально допустимая высота дымовой трубы НМИН составит
- Согласно полученных данных для удовлетворения показателей предельно-допустимых концентраций вредных выбросов в атмосферу устанавливаем дымовую трубу с диаметром устья 2,1 м и высотой 17,4 м.
⇐ Предыдущая12345678910111213141516Следующая ⇒
Поиск по сайту:
Горение природного газа
- Характеристика метана
- § Бесцветный;
- § Нетоксичный (не ядовитый);
- § Без запаха и вкуса.
- § В состав метана входит 75% углерода, 25% водорода.
- § Удельный вес составляет 0,717кг/м3 (легче воздуха в 2 раза).
§ Температура воспламенения – это минимальная начальная температура, при которой начинается горение.
Для метана она равна 645о.
§ Температура горения – это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает химическим формулам горения. Для метана она равна 1100-1400о и зависит от условий сжигания.
- § Теплота сгорания – это количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м3 газа и она равна 8500 ккал/м3.
- § Скорость распространения пламени равна 0,67 м/сек.
- Газовоздушная смесь
- В которой газа находится:
- — до 5% не горит;
- — от 5 до 15% взрывается;
- — свыше 15% горит при подаче дополнительного воздуха (все это зависит от соотношения объема газа в воздухе и называется пределами взрываемости)
Горючие газы не имеют запаха, для своевременного определения их в воздухе, быстрого и точного обнаружения мест утечки, газ одорируют, т.е. дают запах. Для этого используют ЭТИЛМЕРКОПТАН. Норма одоризации 16 гр на 1000 м3. При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.
- Газ, используемый в качестве топлива, должен соответствовать требованиям ГОСТа и содержать вредных примесей на 100м3 не более:
- Сероводорода 0,0 2г/м.куб
- Аммиака 2 гр.
- Синильной кислоты 5 гр.
- Смолы и пыли 0,001 г/м.куб
- Нафталина 10 гр.
- Кислорода 1%.
- Использование природного газа имеет ряд преимуществ:
- · отсутствие золы и пыли и выноса твердых частиц в атмосферу;
- · высокая теплота сгорания;
- · удобство транспортировки и сжигания;
- · облегчается труд обслуживающего персонала;
- · улучшаются санитарно-гигиенические условия в котельных и прилегающих районах;
- · широкий диапазон автоматического регулирования.
При использовании природного газа требуются особые меры осторожности, т.к. возможна утечка через неплотности в местах соединения газопровода и арматуры.
Наличие в помещении более 20% газа вызывает удушье, скапливание его в закрытом объеме свыше 5% до 15% приводит к взрыву газовоздушной смеси.
При неполном сгорании выделяется угарный газ, который даже при небольшой концентрации (0,15%) является отравляющим.
Горение природного газа
Горением называется быстрое химическое соединение горючих частей топлива с кислородом воздуха, происходит при высокой температуре, сопровождается выделением тепла с образованием пламени и продуктов сгорания. Горение бывает полным и неполным.
Полное горение – происходит при достаточном количестве кислорода.
Нехватка кислорода вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, угарный газ (отравляюще действует на обслуживающий персонал), образуется сажа на поверхности котла и увеличиваются потери тепла, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котла, загрязнению атмосферы.
Продуктами сгорания природного газа являются – диоксид углерода, водяные пары, некоторое количество избыточного кислорода и азот. Избыточный кислород содержится в продуктах горения только в тех случаях, когда горение происходит с избытком воздуха, а азот в продуктах сгорания содержится всегда, т.к. является составной частью воздуха и не принимает участие в горении.
- Продуктами неполного сгорания газа могут быть оксид углерода, несгоревшие водород и метан, тяжелые углеводороды, сажа.
- Реакция метана:
- СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
Согласно формуле для сгорания 1 м3 метана необходимо 10 м3 воздуха, в котором находится 2 м3 кислорода. Практически для сжигания 1 м3 метана необходимо больше воздуха с учетом всевозможных потерь, для этого применяется коэффициент К избытка воздуха, который = 1,05-1,1.
- Теоретический объем воздуха = 10 м3
- Практический объем воздуха = 10*1,05=10,5 или 10*1,1=11
- Полноту сгорания топлива можно определить визуально по цвету и характеру пламени, а так же с помощью газоанализатора.
- Прозрачное голубое пламя – полное сгорание газа;
- Красное или желтое с дымными полосами – сгорание неполное.
Горение регулируется увеличением подачи воздуха в топку или уменьшением подачи газа. В этом процессе используют первичный и вторичный воздух.
- Вторичный воздух – 40-50% (смешивается с газом в топке котла в процессе горения)
- Первичный воздух – 50-60% (смешивается с газом в горелке до горения)на горение идет газовоздушная смесь
- Горение характеризует скорость распределения пламени – это скорость, с которой элемент фронта пламени распространяется относительно свежей струю газовоздушной смеси.
- Скорость горения и распространения пламени зависит от:
- · от состава смеси;
- · от температуры;
- · от давления;
- · от соотношения газа и воздуха.
- Скорость горения определяет одно из основных условий надежной эксплуатации котельной и его характеризует отрыв пламени и проскок.
- Отрыв пламени– происходит если скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки больше скорости горения.
Причины отрыва: чрезмерное увеличение подачи газа или чрезмерное разряжение в топке (тяга). Отрыв пламени наблюдается при розжиге и при включении горелок. Отрыв пламени приводит к загазованности топки и газоходов котла и к взрыву.
Проскок пламени – происходит если скорость распространения пламени (скорость горения) будет больше скорости истечения газовоздушной смеси из горелки.
Проскок сопровождается горением газовоздушной смеси внутри горелки, горелка раскаляется и выходит из строя. Иногда проскок сопровождается хлопком или взрывом внутри горелки.
При этом может быть разрушена не только горелка, но и фронтовая стенка котла. Проскок происходит при резком снижении подачи газа.
При отрыве и проскоке пламени обслуживающий персонал должен прекратить подачу топлива, выяснить и устранить причину, провентилировать топку и газоходы в течение 10-15 минут и снова разжечь огонь.
Процесс горения газообразного топлива можно разделить на 4 стадии:
1. Вытекание газа из сопла горелки в горелочное устройство под давлением с увеличенной скоростью.
2. Образование смеси газа с воздухом.
3. Зажигание образовавшейся горючей смеси.
4. Горение горючей смеси.
- Газопроводы
- Газ к потребителю подается по газопроводам – наружным и внутренним – на газораспределительные станции, размещенные за городом, а с них по газопроводам на газорегуляторные пункты ГРП или газорегуляторный устройства ГРУ промышленных предприятий.
- Газопроводы бывают:
- · высокого давления первая А категория свыше 1,2(12 кгс/см2) Мпа на территории тепловых электрических станций к газотурбинным и парогазовым установкам;
- · высокого давления первой категории свыше 0,6 Мпа до 1,2 Мпа включительно;
- · высокого давления второй категории свыше 0,3 Мпа до 0,6 Мпа;
- · среднего давления третьей категории свыше 0,005 Мпа до 0,3 Мпа;
- · низкого давления четвертой категории до 0,005Мпа включительно.
- · МПа — означает Мега Паскаль
В котельной прокладывают газопроводы только среднего и низкого давления. Участок от распределительного газопровода сети (городской) к помещению вместе с отключающим устройством называют вводом.
Вводным газопроводом считают участок от отключающего устройства на вводе, если он установлен снаружи помещения к внутреннему газопроводу.
На вводе газа в котельную в освещенном и удобном для обслуживания месте, должна находиться задвижка. Перед задвижкой должен быть изолирующий фланец, для защиты от блуждающих токов.
На каждом отводе от распределительного газопровода к котлу, предусматривается не менее 2 отключающих устройств, одно из которых устанавливается непосредственно перед горелкой.
Помимо арматуры и КИП на газопроводе, перед каждым котлом, обязательно устанавливается автоматическое устройство, обеспечивающее безопасную работу котла.
Для предотвращения попадания газов в топку котла, при неисправных отключающих устройствах, необходимы продувочные свечи и газопроводы безопасности с отключающими устройствами, которые при бездействующих котлах должны быть открыты. Газопроводы низкого давления красят в котельных в желтый цвет, а среднего давления в желтый с красными кольцами.
Газовые горелки
Газовые горелки — газогорелочное устройство, предназначенное для подачи к месту горения, в зависимости от технологических требований, подготовленной газовоздушной смеси или разделенного газа и воздуха, а так же для обеспечения устойчивого сжигания газообразного топлива и регулирования процесса горения.
- К горелкам предъявляются следующие требования:
- · основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно;
- · горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания;
- · обеспечивать минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;
- · должны работать без шума, отрыва и проскока пламени;
- · должны быть просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;
- · при необходимости могли бы использоваться для резервного топлива;
- · образцы вновь создаваемых и действующих горелок подлежат ГОСТ испытанию;
Главной характеристикой горелок является её тепловая мощность, под которой понимают количество теплоты, способное выделяться при полном сгорании топлива, поданного через горелку. Все данные характеристики можно найти в паспорте горелки.
Расчет выбросов от котельной на газе. Образец для использования!
Расчет выбросов от котельной на природном газе представлен на конкретном примере водогрейного котла Compact-CA-200 водогрейный. Указанный расчет может пригодится для расчета нормативов допустимых выбросов.
Постепенно в этой статье появятся и расчеты выбросов от котельных, оборудованных другими марками котлов.
Исходные данные:
Вид топлива: природный газ, низшая теплота сгорания: 34.37МДж/м3 Время работы: 5640 часов в год. Расход: за год — 90 тыс. м3; часовой- 0.0795 тыс. м3; секундный -0.02208м3/сек
Котел:Compact-CA-200 водогрейный. Количество в работе: 3. Тип горелки : 3 / двухступенчатого сжигания. Рециркуляция дымовых газов (тип):1 отсутствует. Степень рециркуляции (%) r = 0. Подогрев воздуха:отсутствует tп =20.
Наличие режимной карты: есть. Ступенчатый ввод воздуха или доля воздуха, подаваемая помимо горелок (%) δ= 0. Нагрузка котла — принимается равной : 0.9. Объем топочной камеры : 0.179м3. Теплонапряжение топочного объема : 1413кВт/м3.
Коэффициент избытка воздуха : 1.3.
Расчет объема дымовых газов, выделяющихся при сжигании природного газа при избытке воздуха в зоне горения,производится по формуле: Vсг = Vr + (α — 1) * V — Vв
Значения Vr, V, Vв берутся из таблицы 32 для газопровода Серпухов-Ленинград {1}.
Vr =11.22 V =10 Vв =2.21 Vсг =12.010м3/м3
- [adsp-pro-1]
- Расчет выбросов загрязняющих веществ.
- Оксид углерода.
- Расчет проводится по формулам 38, 39 {1}{3}:
- Мсо = q3 * R * Qi * B * (1 — q4 / 100) * Кп
- где:
- q3 — потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, (%) = 0.2,
- q4 — потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива, (%) = 0,
- R — коэффициент, для газа =0.5,
- Qi — низшая теплота сгорания топлива, (Мдж/м3),
- В — расход топлива, (тыс.м3/год, м3/сек),
Кп — коэффициент пересчета: при расчете выбросов в г/сек Кп = 1 при расчете выбросов в т/год Кп = 0.001.
Мсо = 0.076 г/сек
Мсо =0.30933 т/год.
- Оксиды азота.
- Расчет суммарного количества проводится по формуле 14 {1}:
- М(Nox) = Bр * Qi * K * βk * βt * βα * (1 — βr) * (1 — β) * Кп
- где:
- Вр — расчетный расход топлива, м3/сек (тыс.м3/год): при работе котла с режимной картой может быть принято Вр=В — фактическому расходу топлива на котел;
- К — удельный выброс оксидов азота при сжигании газа, (г/МДж): для водогрейных котлов:
- К = 0,0113 * √Qт + 0,03 (формула 16 {1});
- Qт — фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу, (МВт):
- определяется по формуле 17 {1}: Qт = Вр * Qi =0.76
для расчетов т/год Qт = 0.15; Для расчетов г/сек К = 0.0398, для расчетов т/год К = 0.0344
- βк — безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки,
- для данного типа горелки βк =0.7 βt — безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемому для горения, = 1;
- βα- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота: βα =1;
- βr — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота: βr = 0,16*√r =0 (формула 21 {1});
- β — безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру: β = 0,022 * δ =0 (формула 22 {1});
Кп — коэффициент пересчета: при расчете выбросов в г/сек: Кп = 1 при расчете выбросов в т/год: Кп = 0.001.
М(NOx)= 0.0212 г/сек М(NOx)=0.07451т/год
- В связи с установленными раздельными ПДК для оксида и диоксида азота с учетом трансформации оксида азота в атмосферном воздухе суммарные выбросы оксидов азота разделяются на составляющие:
- M(NO2) = 0,8 * M(NOx) (формула 12 {1})
- M(NO) = (1-0,8) * M(NOx) *µ(NO) / µ(NO2) = 0,13 * M(NOx) (формула 13 {1})
M(NO2)= 0.017 г/сек М(NO2)=0.05961т/год M(NO)= 0.003 г/сек М(NO)=0.009686т/год
- Бенз(а)пирен.
- Расчет проводится по формуле 53 {1}:
- Сбп = 0,000001 * R * (0,13 * q — 5) * Кд * Кр * Кст /[1,3 * e^(3,5 *(α-1))]
- где:
- q — теплонапряжение топочного объема, кВТ/м3;
- Кр — коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания = 1;
- Кд — коэффициент, учитывающий влияние нагрузки котла на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания = 1.25;
- Кст- коэффициент, учитывающий влияние ступенчатого сжигания на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания — коэффициент, для газа = 1.
- Сбп =1.8E-04мг/м3
- Суммарное количество бенз(а)пирена (г/сек, т/год) рассчитывается по уравнению 1 {1}:
- Мбп = Сбп' * V * B * Кп
- где:
Кп — коэффициент пересчета: при расчете выбросов в г/сек Кп = 0.000278 при расчете выбросов в т/год Кп = 0.000001
Сбп' = Сбп* α /1,4 =1.7E-04
Мбп=4.4E-08г/сек Мбп=1.8E-07т/год
Литература:
- Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час, Москва, 1999;
- Методическое письмо НИИ Атмосфера №335/33-07 от 17 мая 2000 г. «О проведении расчетов выбросов вредных веществ в атмосферу по «Методике определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу», Санкт-Петербург,2000;
- Изменения к методическому письму НИИ АТМОСФЕРА №335/33-07, 11.09.2001.
Таким образом, по указанному образцу расчета выбросов, образующихся от эксплуатации котельной, работающей на природном газе, используя вышеперечисленную литературу — вы сможете сделать расчет выбросов ЗВ от вашей котельной.
Лекция 14.2: Расчет процессов горения органического топлива
Расчет процессов горения — расчет, проводимый по стехиометрическим соотношениям и заключающийся в определении объёма воздуха, потребного для горения единицы топлива, а также объёма и состава продуктов сгорания.
Этот расчет предшествует тепловому и гидродинамическому расчету газовоздушного тракта топливосжигающего устройства: определению величины сечения газоходов и воздуховодов; скорости движения воздуха и дымовых газов, а также коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением. Состав дымовых газов необходимо также знать для осуществления контроля за процессом горения.
Минимальный (теоретический) объём воздуха, — расчетная величина, полученная из стехиометрических соотношений. Складывается из объема воздуха, потребного для полного сжигания углерода, входящего в состав единицы массы или объёма топлива VС, серы VS, водорода VH, за вычетом объёма воздуха VО, эквивалентного содержанию кислорода в единице топлива, м3/кг или м3/м3:
(16)
Изменяется ориентировочно от 4 м3/кг для дров до 8,8 для антрацитов. Для природного газа V0 = 9,5 — 11 м3/м3, а для мазута V0 = 11 — 11,5 м3/кг.
Коэффициент избытка (расхода) воздуха в топке — отношение действительного объема воздуха, подаваемого в топку Vд к теоретически необходимому ().
Зависит от вида топлива, способа сжигания и типа топочного устройства. Изменяется от 1,3 до 1,7 в слоевых топках при сжигании твердого топлива от 1,05 до 1,15 при сжигании газообразного топлива.
- По мере продвижения дымовых газов по газовому тракту коэффициент избытка воздуха увеличивается вследствие присоса воздуха в газоходы.
- Теоретический объём дымовых газов, — расчетная величина, показывающая какой был бы объем дымовых газов при полном сгорании единицы топлива при подводе к нему минимального объёма воздуха.
- Складывается из объёма сухих трехатомных газов , минимальных объёмов азота и водяных паров , м3/кг или м3/м3
- (17)
- Действительный объём дымовых газов — объём дымовых газов, образующийся при полном сгорании единицы топлива при подводе к нему действительного объёма воздуха.
- Складывается из объёма сухих трехатомных газов, минимального объема азота, действительного объёма водяных паров и объема избыточного воздуха в газоходе , м3/кг или м3/м3.
- (18)
- Энтальпия теоретического объёма дымовых газов, — теплота, которая может быть отдана теоретическим объемом дымовых газов при изобарном охлаждении их от заданной температуры J до 0С, кДж/кг или кДж/м3:
- (19)
- Энтальпия теоретического объема воздуха, — теплота, которая может быть отдана теоретическим объемом воздуха при изобарном охлаждении его от заданной температуры J до 0 0С, кДж/кг или кДж/м3.
- (20)
- В последних двух формулах — средние объёмные изобарные теплоемкости отдельных газов, кДж/(м3 К).
- Энтальпия действительного объема дымовых газов, — теплота, которая может быть отдана действительным объёмом дымовых газов при изобарном охлаждении их от заданной температуры J до 0 0С, кДж/кг или кДж/м3:
- (21)
- При сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии энтальпию продуктов сгорания определяют как сумму энтальпий газов и летучей золы Нзл:
- (22)
Расчет подачи воздуха для горения
Условия для горения.Чтобы горение шло постоянно необходимы два условия:— наличие достаточного количества кислорода в воздухе;— образование горючих паров из топлива;— темепратура топлива должна быть не ниже: бензин — 15 градусов Цельсия, солярка — 20 градусов Цельсия;
— концентрация природного газа в смеси с воздухом для воспламенения не должна быть менее 5%.
Химические уравнения.Горение — это химическая реакция. Для неё действуют следующие уравнения:
C + O2 → CO22H2 + O2 → 2H2OS + O2 → SO2CnHm + (n+m/4)O2 → nCO2 + (m/2)H2O
Чем больше теплота сгорания, тем выше расход кислорода. При недостаточном количестве килорода, горение протекает не полностью, и в отходящем газе остаются горючие составные части. Основная из них — это монооксид углерода. (См. также: Котлы для дома – как сделать правильный выбор?)
2C + O2 → 2CO
Это соединение по-другому называется угарным газом, и оно опасно для жизни. Поэтому всегда обеспечивайте должное снабжение помещения топочной кислородом.
Теоретический расход воздуха.По соотношению объемной доли кислорода в объеме воздуха можно получить следующее равенство:
| Lмин. = | 100%21% | • O2, мин. = 4,762 • O2, мин., |
то есть для получения 1 м3 кислорода необходимо 4,762 м3 воздуха.
Теоретический расход воздуха Lмин. определяется на основании долей отдельных газов в горючей смеси:
Lмин. = ∑ri • Li, мин.
Теоретический расход воздуха для основных видов топлива:
| Топливо | Теплота сгорания, кВт • ч/м3 | Расход воздуха, Lмин. | CO2,макс., % от объема |
| Прир. газ L | 8,9 | 8,4 | 11,8 |
| Прир. газ H | 10,4 | 9,8 | 12,0 |
| Нефтепродукты EL | 10,5 | 9,5 | 15,5 |
| Бутан | 34,3 | 30,9 | 14,1 |
| Пропан | 25,8 | 23,9 | 13,8 |
- На практике всгда воздуха требуется больше, чем показывает теоретический расчет.
- Действительный расход воздуха для горения.Действительный расход воздуха определяется по формуле:
- L = λ • Lмин.,
- где λ — коэффициент избытка воздуха.
Значение коэффициента избытка воздуха варьируется в пределах 1,1 — 1,4. Более высокий коэффициент приводит к избыточному горению и увеличивает потери кислорода вместе с отходящим газом. Значение коэффициента избытка определяется по формуле: (См. также: Изготовление каминов своими руками)
Загрузка...
