Расчет горения топлива нужен для того, чтобы правильно выбрать дутьевые и тяговые устройства к печи, обеспечивающие нормальный процесс горения, движения дымовых газов и необходимый температурный режим в рабочем пространстве печи. Этот расчет проводится с целью определения расхода воздуха, необходимого для горения, количества образующихся продуктов горения, их состава и температуры горения. В качестве топлива используется природный газ Березовского месторождения, состав которого берётся из справочника [1] с. 203. Исходный состав природного газа приведен в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Состав сухого газа, % об.
Состав газа
CH4
C2H6
С3Н8
С4Н10
СО2
N2
Содержание компонентов %
92,1
3,8
0,8
0,3
0,1
2,9
Сумма компонентов природного газа составляет 100%.
Газ сжигают с коэффициентом избытка воздуха α =1,05. Принимаем содержание влаги в газе 1%.
Пересчет состава газообразного топлива с сухого на рабочую массу производится по следующим формулам:
CH4 = ∙ (100 - ) / 100 , (2.1)
где и – содержание метана в рабочем и сухом газе соответственно, %; – содержание влаги в рабочем топливе, %.
CH4 = 92,1 ∙ (100 - 1) / 100 = 91,17 об.%;
Аналогично пересчитываем остальные составляющие топлива. Результаты расчетов сводим в таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – Рабочий состав воздуха, об.%
CH4
C2H6
С3Н8
С4Н10
СО2
N2
H2O
91,17
3,76
0,79
0,29
0,099
2,87
1,0
Теплота сгорания газообразного топлива определяется как сумма произведений тепловых эффектов составляющих газа на их количество, выраженное в объемных процентах. Для природного газа, кДж/м3:
Далее ведется расчет расхода воздуха, необходимого для горения.
В расчетах принимают следующий состав воздуха по объему, %: азот - 79 и кислород - 21. Количество влаги, вносимое атмосферным воздухом, значительно увеличивает расход воздуха. При расчетах тепловых агрегатов влагосодержание атмосферного воздуха принимают 8–12,5 г/кг [1]. Теоретически необходимый для горения расход сухого воздуха определяется по следующей формуле:
Определяем расход атмосферного воздуха при влагосодержание d=8 г/кг сухого воздуха (принимаем самостоятельно):
L0′ = (1 + 0,0016 ∙ d ) ∙L0, (2.4)
где L0′ – теоретическое количество атмосферного воздуха необходимое для сжигания 1м3 газообразного топлива, м3/м3.
L0′ = (1 + 0,0016 ∙ 10) ∙ 9,58 = 9,71 м3/м3.
Для практически полного сгорания топлива требуется подвод воздуха в количестве, превышающем теоретически необходимое, так как трудно достичь идеального смешения воздуха с топливом.
Действительный расход сухого воздуха с учетом коэффициента расхода воздуха:
Lα = α ∙ L0, (2.5)
где Lα – действительное количество сухого воздуха необходимого для сжигания 1м3 газообразного топлива, м3/м3; α – коэффициент избытка воздуха (принимаем α = 1,2).
Lα = 1,05 ∙ 9,58 = 10,05 м3/м3.
Действительный расход влажного воздуха рассчитываем по формуле:
Lα′ = α ∙ L0′ , (2.6)
Действительный расход влажного воздуха составит:
Lα′ = (1 + 0,0016 ∙8) ∙ 10,05= 10,12 м3/м3.
Определим количество и состав продуктов горения при α=1,2. Находим объём отдельных составляющих по формулам:
где VCO2, VH2O, VN2, VO2 , – состав продуктов горения (углекислого газа, воды, азота, кислорода соответственно) при сгорании 1 м3 газообразного топлива, м3/м3.
Процентный состав продуктов горения определяется следующим образом, %:
СО2 = 100 / Vα ∙ VCO2 , (2.12)
СО2 = 100 / 11,1 ∙ 1,023 = 9,21 %;
H2O = 100 / 11,1 ∙ 2,18 = 19,63 %;
N2 = 100 / 11,1 ∙ 7,92 = 71,35 %;
O2 = 100 / 11,1 ∙ 0,1 = 0,90 %.
Составляем материальный баланс процесса горения на 100 м3 топлива (перевод в кг осуществляется путем умножения на плотность) по следующей форме (таблица 2.3).
Таблица 2.3 – Материальный баланс процесса горения топлива
Приход
кг
%
Расход
кг
%
1. Природный газ, в т.ч.
1. Продукты горения, в т.ч.
СН4
СН4∙γСН4
193,9
33,5
CO2
100∙VCO2∙γCO2
202,6
14,2
С2Н6
С2Н6∙γС2Н6
65,36
2,5
H2O
100∙VH2O∙γH2O
174,4
11, 97
С3Н8
С3Н8∙γС3Н8
1,47
0,8
N2
100∙VN2∙γN2
990,7
72, 6
С4Н10
С4Н10∙γС4Н10
0,77
0,39
O2
100∙VО2∙γO2
14,29
1,01
CO2
CO2∙γCO2
0,19
9,0
N2
N2∙γN2
3,59
46,3
H2O
H2O∙γH2O
0,80
10,3
2. Воздух, в т.ч.
O2
21∙Lα∙γO2
298,2
N2
79∙Lα∙γN2
993,2
H2O
0,16∙d∙Lα∙γH2O
10,24
Итого
1378,3
100,0
Итого
1380,3
100,0
Невязка баланса составляет:
(1378,3 – 1380,3) / 1378,3 < 0,1 %
Определим теоретическую и действительную температуры горения топлива. Для этого находится общая энтальпия природного газа , кДж/м3:
, кДж/м3 (2.13)
где − теплота сгорания топлива, кДж/м3; , – объемные изобарные теплоемкости соответственно газа и воздуха при температурах , .Lα − действительное количество атмосферного воздуха, м3/м3;
Принимаем температуру подогрева воздуха =400°С. Природный газ используется при температуре окружающей среды ,следует его физическая теплота в виду малости может не учитываться, то формула (2.13)примет вид:
,
Далее вычисляем теплосодержание с учетом потерь,
Действительная температура определяется по диаграмме, которая приведена в справочнике [1] на рисунке 1.2.Для найденного значения определяем теоретическую температуру горения топлива, а затем умножив ее на пирометрический коэффициент η=0,73,получаем действительную температуру