Лабораторная работа № 9. Расчет горения органического топлива

Цель работы: определение расхода окислителя и выхода продуктов полного сгорания органического топлива; определение энтальпии и влагосодержания

 

Основные понятия

Существует два метода расчета горения органического топлива. Первый метод осуществляют по данным состава топлива, задаваясь коэффициентом избытка воздуха. Второй метод осуществляется по данным газового анализа с учетом состава сжигаемого топлива. Первый метод расчета применяется при проектировании топливоиспользующих установок, второй – при теплотехнических испытаниях, наладке оптимального процесса сжигания топлива в печах и топках.

Материальный и тепловой балансы процесса горения проводят на 1м³ газообразного топлива и на 1 кг твердого или жидкого топлива. Состав газового топлива приводится по компонентам химических соединений в процентах от их объема, а для твердого и жидкого топлива приводится элементарный химический состав в процентах от их массы.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, – рабочей массой. В элементарный химический состав его, выражаемый следующим образом:

 

C^P+H^P+O^P+N^P+S^P+A^P+W^P=100 %,

 

входят горючие вещества – углерод S, водород S, а так же кислород O и азот N, находящиеся в сложных высокомолекулярных соединениях. Топливо содержит влагу W и негорючие минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу A.

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения могут быть разными, поэтому в справочной литературе приводится более постоянный состав горючей массы топлива, который используется для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива.

Пользуясь пересчетным коэффициентом , определяют величину составляющих элементов рабочей массы по величине составляющих элементов в горючей массе.

Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения. Количество воздуха для горения топлива подается в топку больше его теоретически необходимого количества.

Отношение количества воздуха, действительно поступившего в топку V _в к теоретически необходимому  называют коэффициентом    избытка воздуха .

Для вновь проектируемых топливоиспользующих установок величину α выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конструкции топки. Для пылеугольных топок по условиям достижения большего значения КПД и интенсификации процесса горения оптимальными являются α=1,2 – 1,25, при этом нижний предел относится к бурым и каменным углям, а верхний – к тощим углям и антрацитам. При сжигании природных газов и мазута в агрегатах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, α может быть снижен до 1,05.

Расход топлива в топливоиспользующей установке данной производительности зависит от теплоты его сгорания, которая для различных видов топлив изменяется в больших пределах. При отсутствии опытных и справочных данных для приближенного расчета низшей теплоты сгорания твердого и жидкого топлива в МДж/кг:

 

= 0,339С^P+1,03H^P– 0,109(O^P–S^P) – 0,0251W^P,

 

в которой коэффициенты подобраны экспериментально и несколько отличаются от теплоты сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива.

Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Q_усл = 29,33 МДж/кг         (7000 ккал/кг).

Пересчет расхода данного топлива В в условное производится по соотношению

                                              .

Понятием условного топлива пользуются также при планировании добычи и потреблении топлива.

 

Порядок выполнения работы.

Расчет расход окислителя и выход продуктов полного сгорания газообразного топлива.

Объем кислорода, необходимого для сгорания газообразного топлива и образующихся продуктов сгорания подсчитывают на основе уравнения горения компонентов, входящих в состав газообразного топлива

 

Окись углерода   CO+0,5O₂+1,88N₂=CO₂+1,88N₂

Водород H₂+0,5O₂+1,88N₂=H₂O+1,88N₂

Метан      CH₄+2O₂+7,52N₂=CO₂+2H₂O+7,52N₂

Этан         C₂H₆+3,5O₂+13,16N₂=2CO₂+3H₂O+13,16N₂

Пропан    C₃H₈+5O₂+18,8N₂=3CO₂+4H₂O+18,8N₂

Бутан       C₄H₁₀+6,6O₂+24,44N₂=CO₂+5H₂O+24,44N₂

Пентан    C₅H₁₂+8O₂+30,08N₂=5CO₂+6H₂O+30,08N₂

В соответствии с приведенными выше уравнениями горения компонентов газового топлива объем кислорода, необходимого для сгорания 1м³ газа, подсчитывают по формуле, м³/м³ газа

= 0,01(0,5CO+0,5H₂+2СН₄+3,5С₂Н₆+5С₃Н₈+6,5С₄Н₁₀+8С₅Н₁₂–О₂)

Объем воздуха , необходимый для сгорания 1м³ газового топлива в стехиометрических условиях, подсчитывают исходя из содержания в воздухе 21% кислорода по объему, м³/м³ газа

                                  .

Действительное количество воздуха подаваемое в топку, м³/м³ газа:

                                              

где α – коэффициент избытка воздуха.

Суммарный объем продуктов полного сгорания , состоящий из следующих компонентов, м³/м³ газа

                                 .

Объем продуктов сгорания за вычетом объема водяных паров называется объемом сухих газов:

                                          

Выход двуокиси углерода, м³/м³ газа

 

Выход азота складывается из азота воздуха, подаваемого в топку, и азота, содержащегося в газовом топливе, м³/м³ газа

                              .

Выход водяных паров определяется с учетом содержания водорода и влаги в топливе – d м³/м³ газа и водяных паров, содержащихся в воздухе, используемом в качестве окислителя. Содержание в воздухе водяных паров принимают около 1 % по массе (1,6 % по объему), так как влагосодержание воздуха d_в=10…16 г/м³ сухого воздуха при относительной влажности =50…60 % и температуре t=20…30 ^оС.

Выход водяных паров при сжигании газового топлива, м³/м³ газа:

Количество кислорода в продуктах сгорания, м³/м³ газа

                                           .

Расчет расхода окислителя и выхода продуктов полного сгорания твердого и жидкого топлива.

Количество кислорода воздуха O_в, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг/кг

                    ,

где C^P, S^P, H^P и O^P – соответственно содержание углерода, горючей серы, водорода и кислорода в рабочей массе топлива в процентах по массе.

Количество сухого воздуха , необходимое для сгорания 1 кг топлива (принимая содержание в воздухе 23% кислорода по массе), кг/кг

                        .

Объем воздуха, теоретически необходимый для сгорания 1 кг топлива, равен /1,293, т.е. м³/кг

                       

или округленно, м³/кг

                         .

Суммарный объем продуктов сгорания

                           ,

       

  объем двуокиси углерода, м³/кг

                                           .

Объем двуокиси серы, м³/кг

                                             .

Объем азота, м³/кг

                                   .

Объем водяного пара в продуктах сгорания с учетом содержания в воздухе около 1% влаги по массе (1,6% по объему), м³/кг

                     .

Объем кислорода, м³/кг

                                        .

Для теплотехнических расчетов топок, теплогенераторов и других теплотехнологических установок необходимо знать энтальпию и влагосодержание продуктов сгорания топлива.

Энтальпия влажных топочных газов отнесенная к массе сухих      газов, кДж/кг

                                            

где – энтальпия влажного воздуха, определенная по формуле, кДж/кг

                                        .

Масса сухих газов, кг

                   ,

где , ,  – плотности двуокиси углерода, азота и кислорода соответственно, кг/м³.

Влагосодержание топочных газов отнесенное к массе сухих газов, кг/кг

          ,

где ,  - массы водяных паров и сухих газов соответственно.

 

Контрольные вопросы

Что называется топливом?

Что называется теплотворной способностью топлива?

Чем отличается высшая теплота сгорания от низшей?

Что называется условным топливом и для чего ввели данное понятие?

Что называется балластом топлива и как он влияет на теплотворную способность топлива?

Что называется коэффициентом избытка воздуха и как он влияет на эффективность использования топлива?

Какие составляющие элементы топлива обуславливают его теплотворную способность?

Расскажите о стадиях горения твердого топлива.

Особенности горения жидкого топлива.

Приложения

 

Приложение 1

Номограмма для определения коэффициента теплообмена от                паровоздушной смеси к сплошным железобетонным изделиям при         конденсации и естественной конвекции

Приложение 2

Номограмма для определения температуры и времени нагрева железо-

бетонных изделий при изменении температуры паровоздушной среды                                             по линейному закону

 

Приложение 3                                                                  Приложение 4

 

       

  Кривые С₁= f (Fo, Bi) для шара                 Кривые С₂= f (Fo, Bi) для шара

 

Приложение 5

 

Кривые С₃= f ₃ (Fo, Bi) для шара

                                                                                                       

                                                                                                  Приложение 6

Теплофизические характеристики материалов

 

Материал	r, кг/м^3	l, Вт/м^2·ºС	с, кДж/кг·ºС	а· 10^4 м^2/ч
Бетон	2400	1.450	0.84	25.84
Железобетон	2400	1.560	0.84	27.95
Крупнопористый бетон	1900	0.990	0.84	22.30
Шлакобетон	1860	0.920	0.83	19.20
Золобетон	1640	0.505	0.98	11.34
Керамзитобетон	1700	0.410	0.66	15.40
Скликатобетон	1850	0.630	0.84	14.70
Газобетон	940	0.241	0.82	11.20
Пенобетон	400	0.138	1.65	7.640
Раствор	1800	0.930	0.84	22.20
Кирпич глиняный	1700	0.766	0.88	18.20
Кирпич силикатный	1900	0.815	0.84	18.40
Древесина	640	0.380	2.40	…
Металл	7800	0.560	0.46	…
Суглинок	1960	1.490	1.16	23.70
Песок кварцевый	1500	0.600	1.09	13,00
Кераызит	900	0.408	0.88	18.60
Злак гранулированный	600	0.151	0.75	14.40
Минерльная вата	300	0.063	0.76	10,00
Минеральный воцлок	250	0.076	0.76	14.40
Пеностекло	500	0.163	0.84	14,00
Стеклянная вата	200	0.045	0.94	9.70
Стеклянный войлок	50	0.044	0.89	35.6
Шлаковая вата	100	0.046	0.74	22.4
Резина	1200	0.163	1.38	9.50

 

                                                                                           Приложение 7