Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет – УПИ”
расчет горения газового топлива
Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам “Оборудование термических цехов”, “Технологическое оборудование, механизация и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов” и “Проектирование предприятий, цехов и участков по производству, обработке и переработке новых материалов”, курсовому и дипломному проектированию для студентов всех форм обучения для студентов всех форм обучения специальностей 150105, 150601, магистров и бакалавров по направлению 150600
Екатеринбург
2006
УДК 621.78(07)
Составитель Ю. Г. Эйсмондт
Научный редактор проф., доктор техн. наук Ю. В. Юдин
расчет горения газового топлива: Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам “Оборудование термических цехов”, “Технологическое оборудование, механизация и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов” и “Проектирование предприятий, цехов и участков по производству, обработке и переработке новых материалов”, курсовому и дипломному проектированию/ Ю. Г. Эйсмондт. Екатеринбург: УГТУУПИ, 2006, 9 с.
Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения металлургических специальностей и рекомендуются для использования на практических занятиям, при курсовом и дипломном проектировании. В теоретической части приведена методика расчета состава продуктов полного сгорания газовых природных, искусственных и условных топлив с заданным коэффициентом расхода воздуха. Приведен пример расчета и составы газовых топлив природного и искусственного происхождения, используемых в России.
Библиогр. : 4 назв., 3 табл., 1 прил.
Подготовлено кафедрой “Термообработки и физики металлов”.
ГОУ ВПО Уральский государственный
технический университет УПИ, 2006
Цель расчета — определение расхода воздуха, количества и состава продуктов сгорания газового топлива.
Исходные данные: вид и состав газового топлива, коэффициент расхода воздуха.
В термических печах и других тепловых устройствах, применяемых как для термической обработки традиционных металлических материалов, так и для получения и другой тепловой обработки новых материалов типа порошковых или композиционных, включая нанесение различных покрытий на металлические материалы. В качестве топлива в настоящее время применяются горючие газы природного и искусственного происхождения, состав, плотность о при комнатной температуре и теплота сгорания QРн которых приведены в приложении в табл. П.1 и П.2 [1].
Низшая теплота сгорания Qрн любого влажного газообразного топлива может быть определена по формуле Д. И. Менделеева [2]:
где CH4, C2H6 и т. п. — объемные доли соответствующих горючих компонентов в газе;
QCH4 , QC2H6 и т. п. — тепловые эффекты реакций горения соответствующих горючих компонентов в газе, МДж/м3 , которые приведены в табл. 1.
Таблица 1
Реакции горения газов и их тепловые эффекты Qгор [3,4]
|
Молекулярная |
Qрн , МДж/м3 |
||
|
Реакции горения |
масса компонен- |
исходного газа на |
|
|
тов реакции |
1 кг |
1 м3 |
|
|
СO + 0,5O2 = CO2 |
28+ 16 = 44 |
10,10 |
12,63 |
|
H2 + 0,5O2 = H2O |
2+ 16 = 18 |
119,1 |
10,79 |
|
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O |
16+ 64 = 44 + 36 |
50,06 |
35,83 |
|
C2H6 + 3,5O2= 2CO2+ 3H2O |
30+112 = 88 + 64 |
47,53 |
63,79 |
|
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O |
44+160 =132+ 72 |
46,40 |
91,28 |
|
C4H10 + 6,5O2= 4CO2 + 5H2O |
58+208 =176+ 90 |
45,77 |
118,67 |
|
C5H12 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O |
72+256 =220+108 |
45,40 |
146,19 |
|
C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O |
28+ 96 = 88 + 36 |
47,28 |
59,06 |
|
C3H6 + 4,5O2= 3CO2 + 3H2O |
42+144 =132+ 54 |
45,82 |
86,01 |
|
H2S + 1,5O2= SO2 + 2H2O |
34+ 48 = 64 + 18 |
15,23 |
23,17 |
Соотношение азота и кислорода в атмосферном воздухе принимается n = / (без учета содержания в воздухе влаги, углекислого газа и других компонентов). Тогда для атмосферного воздуха n = 79 / 21 = 3,762.
В случае использования обогащенного кислородом воздуха принимают соответствующее значение n. Так, при использовании дутья, содержащего 30% кислорода, n = 70 / 30 = 2,33.
В термических печах обогащенное дутьё практически не используется.
Полное сгорание метана и других углеводородных газов, включая СО и Н2, с коэффициентом расхода воздуха =1 может быть рассчитано по стехиометрическим уравнениям, приведенным в табл.1. Например, для метана:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O.
Из реакции видно, что для сжигания 1 моля CH4 требуется 2 моля O2 и продукты сжигания будут состоять из 1 моля CO2 и 2 молей H2O. Так как 1 моль любого газа занимает один и тот же объем, то вместо молей можно расчет вести в м3.
Если сжигание производится с использованием атмосферного воздуха, то с каждым м3 кислорода воздуха поступает 3,762 м3 азота. Тогда для полного сжигания 1 м3 метана (CH4) требуется 2+23,762=9,524 м3 воздуха, а продукты горения будут состоять из 1 м3 CO2, 2 м3 H2O и 7,524 м3 N2.
Если газ имеет более сложный состав, то такие стехиометрические реакции составляются для всех горючих компонентов, и результаты расчетов расхода воздуха (кислорода и азота) суммируются для всех горючих компонентов (см. табл. 2).
Расчет проводится на 100 м3 исходного газа.
Количество азота, поступающего в зону горения, можно рассчитать по формуле:
= 3,762 ,м3, (2)
где — суммарное количество кислорода (в м3), необходимое для полного сгорания 100 м3 газа.
Действительный коэффициент расхода для термических печей принимается в пределах 1,051,15, в том числе для горелок с предварительным смешением газа и воздуха — 1,051,10, а для горелок без предварительного смешения — 1,111,15.
1. Порядок расчета
1. Берется полный состав исходного газа.
2. Состав приводится на 100 м3 газа (см. табл. 2).
3. По реакциям (табл. 1) для всех горючих компонентов рассчитывается необходимое количество кислорода (в м3) для теоретически полного сжигания газа при =1 и результаты заносятся в таблицу 2.
4. По формуле (2) рассчитается количество (в м3) азота , которое будет принесено вместе с необходимым для реакций горения кислородом.
5. Рассчитывается по реакциям горения (табл. 1) состав продуктов сжигания с учетом наличия в исходном газе CO2, H2O и N2.
Все результаты заносятся в таблицу 2 и рассчитывается процентная доля каждого компонента, как для воздуха, так и для получаемых продуктов сгорания при =1.
6. По заданному коэффициенту расхода воздуха (1) определяется необходимое количество кислорода:
, м3 (3)
и приносимого с кислородом азота:
= 3,762 , м3 (4)
Таблица 2.
Состав газового топлива, расход воздуха, состав и количество
продуктов сгорания (на 100 м3 газового топлива)
|
Газовое топливо, м3 |
Воздух, подаваемый для сжигания 100 м3 газа, м3 |
Полученные продукты сгорания, м3 |
|||||||
|
состав |
м3 |
О2 |
N2 |
всего |
CO2 |
H2O |
О2 |
N2 |
всего |
|
CH4 |
94,40 |
188,80 |
94,40 |
188,80 |
— |
— |
|||
|
C2H6 |
2,50 |
8,75 |
204,25 |
204,25+ |
5,00 |
7,50 |
— |
768,39 |
— |
|
C3H8 |
0,50 |
2,50 |
3,762= |
+768,39= |
1,50 |
2,00 |
— |
(из воз- |
— |
|
C4H10 |
0,40 |
2,60 |
=768,39 |
=972,64 |
1,60 |
2,00 |
— |
духа) |
— |
|
C5H12 |
0,20 |
1,60 |
1,00 |
1,20 |
— |
— |
|||
|
CO2 |
0,10 |
— |
— |
— |
0,10 |
— |
— |
— |
|
|
N2 |
0,70 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
0,70 |
— |
|
H2O |
1,20 |
— |
— |
— |
— |
1,20 |
— |
— |
|
|
всего при |
|
||||||||
|
=1,00 |
м3 |
204,25 |
768,39 |
972,64 |
103,60 |
202,70 |
— |
769,09 |
1075,37 |
|
% |
(21,00) |
(79,00) |
(100,00) |
(9,63) |
(18,85) |
— |
(71,58) |
(100,00) |
|
|
=1,09 |
м3 |
222,63 |
837,55 |
1060,18 |
103,60 |
202,70 |
18,38 |
838,25 |
1162,93 |
|
% |
(21,00) |
(79,00) |
(100,00) |
(8,91) |
(17,43) |
(1,58) |
(72,08) |
(100,00) |
7. Рассчитается количество азота в продуктах сгорания при заданном :
= + , м3 (5)
где — количество азота, содержащегося в исходном газе, м3.
Все результаты заносятся в последнюю строку таблицы 2 и рассчитывается процентная доля каждого компонента, как для воздуха, так и для получаемых продуктов сгорания при 1, включая избыточный кислород, остающийся в продуктах сгорания.
8. Правильность расчета проверяется путем составления материального баланса в единицах массы. Для этого плотность 0 (при нормальных условиях, т.е. t=00C и p=0,1 МПа) всех компонентов топлива, воздуха и продуктов сгорания находится как частное от деления молекулярной массы (см. табл. 1) на объем, занимаемый одним киломолем компонента.
Например для метана (СН4) 0 = 16 / 22,4 = 0,704 кг/м3 . Расчет вести с точностью до 3-го знака после запятой.
Небаланс составляет 1440,53 – 1440,52 = 0,01 кг, что составляет 0,61% при допустимой погрешности 2%.
9. Затем по формуле (1) рассчитывается Qрн.
Таблица 3.
Материальный баланс для проверки расчета
|
Поступило газовых компонентов в кг |
Получено продуктов сгорания в кг |
||
|
в расчете на 100 м3 газа при =1,09 |
при их объеме 1166,73 м3 |
||
|
CH4 |
94 · 704 = 67,40 |
CO2 |
107,40 · 1,964= 203,47 |
|
C2H6 |
2,5 · 1,339=3,35 |
H2O |
202,70 · 0,804= 162,97 |
|
C3H8 |
0,5 · 1,964=0,98 |
О2 |
18,38 · 1,429= 26,27 |
|
C4H10 |
0,4 2,589=1,04 |
N2 |
838,25 · 1,250=1047,81 |
|
C5H12 |
0,2 · 3,214=0,64 |
Всего получено 1440,52 кг |
|
|
CO2 |
0,1 · 1,964=0,20 |
||
|
N2 |
0,7 · 1,250=0,88 |
||
|
H2O |
1,2 · 1,429=0,96 |
||
|
Всего |
газа 75,45 кг |
||
|
Воздух (с =1,09) 1060,18 м3 |
|||
|
В том числе, кг |
|||
|
О2 |
228,72 · 1,429= 318,14 |
||
|
N2 |
837,55 · 1,250=1046,94 |
||
|
Всего |
воздуха 1365,08 кг |
||
|
Всего поступило газа и воздуха (с =1,09) 1440,53 кг |
Невязка баланса составляет: (1440,53 – 1440, 52) / 1440,53 · 100 = 7·10–4 % , то есть много меньше допустимых 2%.
БиБЛИОГраФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии: Справочник / Бабошин В.М., Криченцов Е.А., Абзалов В.М., Щелоков Я.М. М.: Металлургия, 1982. 152 с.
2. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. В 2 томах Т. 2.: Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей: Учебник. М.: Металлургия, 1986. 272 с.
3. Расчет нагревательных и термических печей: Справочное издание. / Васильков С.Б., Генкина М.М., Гусовский В.Л. и др. // Под ред. В.М. Тымчака и В.Л. Гусовского М.: Металлургия, 1983. 480 с.
4. Справочник конструктора печей прокатного производства. В 2 томах / Под ред. В.М. Тымчака и В.Л. Гусовского. М.: Металлургия, 1970. 991 с.
Приложение
Таблица П.1
Состав искусственных газовых топлив [4]
|
Предприятие, |
Состав сухого газа в % (объемных) |
о |
QРн |
||||||
|
производящее газ |
CO2 |
CO |
H2 |
N2 |
CH4 |
C2H6 |
O2 |
кг/м3 |
МДж/м3 |
|
Магнитогорский МК |
20,5 |
23,8 |
10,5 |
45,0 |
0,2 |
— |
— |
1,273 |
4,213 |
|
Орско-Халиловский МК |
15,8 |
25,0 |
3,6 |
54,2 |
0,5 |
0,9 |
— |
1,319 |
3,727 |
|
Кузнецкий МК |
16,1 |
27,2 |
1,0 |
55,5 |
0,2 |
— |
— |
1,352 |
3,617 |
|
Западно-Сибирский МК |
18,8 |
26,2 |
2,3 |
51,8 |
0,6 |
— |
— |
1,354 |
3,812 |
|
Нижне-Тагильский МК |
17,7 |
22,2 |
6,8 |
53,3 |
— |
— |
— |
1,297 |
3,540 |
|
Череповецкий МК |
20,6 |
26,4 |
11,1 |
41,9 |
— |
— |
— |
1,268 |
4,535 |
|
Новолипецкий МК |
19,8 |
25,4 |
9,0 |
45,8 |
— |
— |
— |
1,286 |
4,182 |
|
Челябинский МЗ |
17,7 |
25,3 |
6,5 |
50,0 |
0,5 |
— |
— |
1,298 |
4,078 |
|
Серовский МЗ |
12,7 |
24,5 |
5,2 |
57,5 |
0,1 |
— |
— |
1,207 |
3,693 |
|
Белорецкий МЗ |
14,4 |
23,5 |
7,6 |
54,5 |
— |
— |
— |
1,266 |
3,790 |
|
Магнитогорский МК |
2,4 |
7,5 |
57,5 |
6,2 |
23,2 |
2,1 |
1,1 |
0,481 |
16,81 |
|
Орско-Халиловский МК |
2,4 |
7,1 |
58,0 |
3,8 |
25,9 |
2,4 |
0,5 |
0,461 |
17,97 |
|
Кузнецкий МК |
2,5 |
7,0 |
57,4 |
4,3 |
25,2 |
2,6 |
1,0 |
0,472 |
17,77 |
|
Западно-Сибирский МК |
2,8 |
6,8 |
57,1 |
4,8 |
24,4 |
2,9 |
1,2 |
0,483 |
17,61 |
|
Нижне-Тагильский МК |
2,1 |
6,8 |
59.4 |
2,6 |
26,6 |
2,1 |
0,4 |
0,437 |
18,14 |
|
Череповецкий МК |
2,6 |
6,8 |
59,4 |
3,5 |
24,8 |
2,4 |
0,4 |
0,451 |
17,70 |
|
Новолипецкий МК |
2,3 |
6,9 |
49,6 |
6,3 |
30,7 |
1,7 |
1,6 |
0,533 |
18,42 |
|
Челябинский МЗ |
3,2 |
7,0 |
57,0 |
4,5 |
25,3 |
2,5 |
0,5 |
0,481 |
17,70 |
Примечание: о — плотность газа при температуре 0 0С; QРн — низшая теплота сгорания сухого газа.
Соотношение доменного и коксового газов с смеси принимается от 4:1 до 1:4.
Влажность доменного и коксового газов принимается Wвл =Wр=2030 г/м3.
Пересчет состава сухого газа на влажный производится по формуле:
xвл = xс 100 / (100 + 0,1242 Wвл)
где xс — содержание какго-либо компонента в сухом газе, %;
xвл — то же во влажном газе, %;
Н2Овл = 0,1242 Wвл.
В случае сжигания смеси газов известного соотношения a состав смеси находится по формуле:
xсм = x1 a + x2 (1 a),
где xсм — содержание компонента в смеси;
x1 — то же, в первом газе;
x2 — то же, во втором газе;
a — доля первого газа.
Затем находится общий состав смеси газов и по нему рассчитывается Qрн.
Кислород, остающийся в коксовом газе, учитывается в столбце прихода
воздуха (табл.2) со знаком “–”.
Таблица П.2
Состав природных газовых топлив [4]
|
Месторождение |
Состав сухого газа в % (объемных) |
о |
QРн |
|||||||
|
газа |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
C4H10 |
C5H12 |
CO2 |
N2 |
H2S |
кг/м3 |
МДж/м3 |
|
Оренбургское (Орен. об.) |
82,1 |
3,7 |
1,5 |
1,4 |
2,2 |
0,5 |
7,5 |
1,1 |
0,897 |
38,26 |
|
Лебежанское |
85,0 |
4,0 |
1,5 |
2,0 |
0,5 |
— |
7,0 |
— |
0,851 |
37,47 |
|
Оренбургское (ГК) |
85,0 |
5,0 |
2,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
4,0 |
— |
0,832 |
37,39 |
|
Елшанское (Саратов.обл.) |
94,4 |
2,5 |
0,5 |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
1,8 |
— |
0,770 |
36,51 |
|
Березниковское (Тюм.об.) |
94,8 |
0,8 |
0,2 |
0,1 |
— |
1,0 |
3,1 |
— |
0,757 |
34,71 |
|
Игримское |
94,0 |
1,0 |
0,5 |
0,5 |
— |
— |
4,0 |
— |
0,763 |
35,36 |
|
Заполярное |
98,5 |
0,1 |
— |
— |
— |
0,2 |
1,2 |
— |
0,729 |
35,38 |
|
Медвежье |
99,0 |
0,1 |
— |
— |
— |
0,1 |
0,8 |
— |
0,726 |
35,53 |
|
Уренгойское |
98,0 |
0,1 |
— |
— |
— |
0,3 |
1,6 |
— |
0,733 |
35,17 |
|
Газлинское (ГК) (Узбек.) |
95,0 |
3,0 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
1,0 |
— |
0,759 |
36,60 |
|
Кызылкумовское (Туркм.) |
92,8 |
1,5 |
9,0 |
2,5 |
0,5 |
— |
0,7 |
— |
0,824 |
40,32 |
|
Байрам-Алийское |
98,0 |
1,0 |
0,1 |
— |
— |
0,2 |
0,7 |
— |
0,734 |
35,83 |
|
Комсомольское(К)(Тадж.) |
90,0 |
6,0 |
1,0 |
0,5 |
0,3 |
0,2 |
2,0 |
— |
0,799 |
38,01 |
Примечание:
ГК — газокоденсатное месторождение; К — конденсатное месторождение.
о — плотность газа при температуре 0 0С;
QРн — низшая теплота сгорания сухого газа.
Варианты задания по расчету природного газа
Таблица П.3
Состав условного исходного газа, %
|
Компо- |
В |
А |
Р |
И |
А |
Н |
Т |
||
|
нент |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
CH4 |
94,00 |
93,00 |
92.0 |
91,0 |
90,0 |
89,0 |
88,0 |
87,0 |
86,0 |
|
C2H6 |
1,00 |
1,50 |
2,0 |
3,0 |
3,0 |
3,0 |
4,0 |
4,0 |
4,0 |
|
C3H8 |
1,00 |
1,00 |
1,5 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
|
C4H10 |
0,50 |
1,00 |
1,0 |
1,0 |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
|
C5H12 |
0,50 |
0,50 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
CO2 |
1,40 |
1,30 |
1,2 |
1,1 |
1,0 |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
|
H2O |
0,90 |
0,80 |
0,7 |
0,6 |
1,4 |
1,3 |
1,2 |
1,1 |
1,0 |
|
N2 |
0,70 |
0,90 |
1,1 |
1,3 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
|
сумма |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
100,00 |
Таблица П.4
Варианты коэффициента расхода воздуха
|
Вариант |
коэффициента расхода воздуха для горелок |
|
|
с предварительным смешением газа и воздуха |
без предварительного смешения газа и воздуха |
|
|
А |
1,05 |
1,10 |
|
Б |
1,06 |
1,11 |
|
В |
1,07 |
1,12 |
|
Г |
1,08 |
1,13 |
|
Д |
1,09 |
1,14 |
|
Е |
1,10 |
1,15 |
Таблица П.5
Варианты соотношения коксового и доменного газов
|
Компонент |
В |
А |
Р |
И |
А |
Н |
Т |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
коксовый газ |
4,0 |
3,5 |
3,0 |
2,5 |
2,0 |
1,5 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
доменный газ |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
4,0 |
Примечание: составы коксового и доменного газов выбираются из таблицы П.1, предприятие, вырабатывающее эти газы задается преподавателем или определяется при курсовом и дипломном проектировании местоположением предприятия, на базе которого выполняется проект.
расчет горения газового топлива
Составитель Эйсмондт Юрий Георгиевич
Редактор
Компьютерный набор Ю. Г. Эйсмондт
________________________________________________________________
Подписано в печать ---------- Формат 6084 1/16
Бумага писчая Офсетная печать Усл. печ. л. 0,--
Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО УГТУ-УПИ
620002, Екатеринбург, Мира 19,