Матеріальний баланс горіння газів

Вступ

В даний час одним з основних шляхів економії паливно-енергетичних ресурсів у промисловому і житлово-комунальному енергетичному секторі є підвищення ефективності їх використання шляхом утилізації теплоти відхідних газів. Питання економного використання палива актуальне як в нашій країні, так і за кордоном, тому роботи по вибору та проектуванню теплоутилізаційних установок знаходять все більше поширення і застосування.

Актуальність роботи полягає у зменшенні витрат палива шляхом утилізації відхідних газів, що дасть змогу підвищити ефективність та економічність теплогенеруючого обладнання, томі мета роботи полягає у підвищенні енергоефективності теплогенеруючого обладнання шляхом використання та подальшого розрахунку теплоутилізаційних установок з використанням теплоти відхідних газів.

Вибір схем утилізації теплоти відхідних газів і типів застосовуваних теплоутилізаторів залежать від джерел теплоти, можливості використання теплового потенціалу вихідних газів, споживачів теплоти, виду палива і складу газів, що відходять, що визначає їх агресивність по відношенню до теплотехнічного обладнання.

Споживачами теплоти вторинних енергетичних ресурсів можуть розглядатися котельні, система теплопостачання і промислові споживачі, які використовують теплоту для технологічних і нетехнологічних цілей. Вторинні енергетичні ресурси можуть застосовуватися в водопідігрівачах систем хімічно очищеної води, гарячого водопостачання, підігріву живильної води для потреб підприємств, теплових завіс, розморожування твердого палива та будівельних сипучих матеріалів, подачі вторинного повітря в зону горіння палива.

Горіння газів

 

Температура горіння

Розрізняють такі температури горіння газів: температуру жаропродуктивності, калориметричну, теоретичну та дійсну.

Температура жаропродуктивності  - це максимальна температура продуктів повного згоряння газу, яка може розвинутися при адіабатичних умовах, тобто без підведення та відведення теплоти, з коефіцієнтом надлишку повітря  = 1,0, при температурі газу  і повітря , що дорівнює 0 . Її визначають методом послідовних наближень приймаючи для розрахунків її початкове значення 2000 .

 

,                                      (1.13)

 

де - сума похідних питомих об’ємів і теплоємностей компонен-тів продуктів згоряння.

Калориметрична температура   визначається з врахуванням фактичної температури газу та повітря які подаються. Вона відрізняється від температури жароподуктивності тим, що температура газу і повітря, а також коефіцієнт надлишку повітря приймаються за їх дійсним значенням.

 

,                                       (1.14)

 

або в розгорнутому вигляді:

 

,                      (1.15)

 

де - фізична теплота, що вноситься в топковий об’єм з повітрям і газовим паливом, / ;

, , ,  - об’єми відповідних компонентів, що містяться в продуктах згорання газу при дійсному коефіцієнті надлишку повітря > 1 і температурі , / ;

, , ,  - об'ємна теплоємність відповідних компонентів при сталому тискові і температурі , / .

Фізична теплота, що вноситься в топковий об’єм, / , визначається за формулою

,                                     (1.16)

 

де - фізична теплота, що вноситься в паливний об’єм з газовим па-ливом, / ;

-фізична теплота, що вноситься в паливний об’єм з повітрям, / _.

 

,                                        (1.17)

 

де  - об'ємні частки i -х компонентів, що входять до складу газової суміші. Визначаються за складом газової суміші, / ;

  - середня питома теплоємність при сталому тискові і температурі i -го компонента, що входить в склад газової суміші, / . Приймається з додатка В;

  - початкова температура газової суміші, .

 

,                                    (1.18)

 

де - дійсна витрата повітря, / . Визначається за формулою (1.7);

  - середня питома теплоємність повітря при постійних тиску і температурі , / . Приймається за таблицею додатка А;

 - температура повітря, яка подається в топковий об’єм;

Дійсна (розрахункова) температура - це максимальна температура, яка досягається в реальних умовах в найбільш нагрітій точці факела. Вона значно нижча теоретичної і залежить від втрат теплоти у навколишнє середовище, ступеня віддачі теплоти із зони горіння випромінюванням, розтягнутості процесу горіння в часі та ін.

 

,                                               (1.19)

 

де  - пірометричний коефіцієнт, який залежить від конструкції топки.

Висновки

 

У курсовому проекті виконано розрахунок теплового балансу промислової печі заданої конструкції, на підставі якого визначено величину термічного ККД печі, коефіцієнта використання палива, витрати газової суміші, яка подається в газопальниковий пристрій печі; розроблено схему використання вторинних енергоресурсів (теплоти вихідних газів) промислової печі для підвищення енергетичного ККД схеми та економії природного газового палива; визначено чисельне значення енергетичного ККД після кожного ступеня з урахуванням розроблених заходів з енергозбереження; підвищено енергоефективність теплогенеруючого обладнання шляхом використання та подальшого розрахунку теплоутилізаційних установок з використанням теплоти відхідних газів.

У розрахунку камерної термічної печі складено тепловий баланс печі та визначено годинну витрату теплоти з продуктами згоряння на виході з топки; годинну витрату газового палива, яку необхідно забезпечити для підтримки робочої температури в робочому просторі печі; термічний коефіцієнт корисної дії і коефіцієнт використання палива печі за умови, що підігрів повітря здійснюється стороннім повітропідігрівачем. У результаті складання теплового балансу промислової термічної печі, що працює на газовому паливі, встановлено, що для створення температури , необхідної для здійснення термічної обробки металевих деталей, виконаних із Ст. 45, слід забезпечити витрату газового палива через пальникові пристрої печі = 54,1 / . При цій витраті температура в печі буде підтримуватися в межах 1200 . За цих умов роботи термічний ККД печі складе 24,6%, а коефіцієнт використання газового палива - 0,54, що говорить про необхідність вжиття заходів щодо утилізації теплоти, яка викидається, з подальшим її використанням.

У розрахунку рекуперативного теплообмінника визначено площу поверхні теплопередачі рекуперативного теплообмінника, що дорівнює F= , і кількість трубок теплообмінника за умови, що трубки розташовуються в шаховому порядку, =61 шт.

Виконано розрахунок контактного економайзера, який нагріває воду від 25 до 65  для потреб гарячого водопостачання підприємства. ККД теплообмінника 95%. Продукти згоряння охолоджуються від 300 до 220 . Витрата продуктів згоряння = 690,36 / . Вільний об'єм насадки V = 0,5 / . Площа поверхні насадки в одиниці об'єму F=80 / . Швидкість продуктів згоряння в живому перерізі насадки = 2,5 м / с. Визначено, що витрати гарячої води (нагрівного теплоносія) , площа омивання поверхні складає і об'єм насадки .

 

Література

 

1. Свинолобов Н.П. Печи черной металлургии: Учеб. пособие для вузов / Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л. - Днепропетровск: Пороги, 2004. - 154 с.

. Металлургическая теплотехника. Сб. науч. трудов Национальной металлургической академии Украины. - Днепропетровск: НМетАУ, 2000. - 219 с.

. Моргунов В.Н. Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация: Учеб. Пособие / В.Н. Моргунов - Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2009. - 179 с.

. Глинков М.А. Общая теория печей: Учеб. пособие для вузов / М.А. Глинков, Г.М. Глинков. - М.: Металлургия, 1978. - 264 с.

. Современные нагревательные и термические печи. Конструкции и технические характеристики: Справочник / В.Л. Гусовский, М.Г. Ладыгичев, А.Б. Усачев / Под ред. А.Б. Усачева. - М.: «Теплотехник», 2007. - 656 с.

6. Врагов А.П. Теплообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв: навчальний посібник / А.П. Врагов. - Суми: ВТД «Університетська книга», 2006. - 260 с.

. Клюєв О.І. Оптимізація роботи кожухотрубного теплообмінника шляхом впливу на гідродинаміку потоку: дис…. кандидата техн. наук: 05.17.08 / Клюєв Олег Ігоревич. - Херсон, 2006. - 197 с.

. Голінко І.М. Моделювання температурного режиму теплообмінника / І. М. Голінко, А. І. Кубрак, А.С. Кравченко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №2/7 (44). - 2010. - С. 24 - 27.

. Бойко Е.А. Тепловые электрические станции (расчет и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов ТЭС: учебное пособие / Е.А. Бойко. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - 92 с.

Вступ

В даний час одним з основних шляхів економії паливно-енергетичних ресурсів у промисловому і житлово-комунальному енергетичному секторі є підвищення ефективності їх використання шляхом утилізації теплоти відхідних газів. Питання економного використання палива актуальне як в нашій країні, так і за кордоном, тому роботи по вибору та проектуванню теплоутилізаційних установок знаходять все більше поширення і застосування.

Актуальність роботи полягає у зменшенні витрат палива шляхом утилізації відхідних газів, що дасть змогу підвищити ефективність та економічність теплогенеруючого обладнання, томі мета роботи полягає у підвищенні енергоефективності теплогенеруючого обладнання шляхом використання та подальшого розрахунку теплоутилізаційних установок з використанням теплоти відхідних газів.

Вибір схем утилізації теплоти відхідних газів і типів застосовуваних теплоутилізаторів залежать від джерел теплоти, можливості використання теплового потенціалу вихідних газів, споживачів теплоти, виду палива і складу газів, що відходять, що визначає їх агресивність по відношенню до теплотехнічного обладнання.

Споживачами теплоти вторинних енергетичних ресурсів можуть розглядатися котельні, система теплопостачання і промислові споживачі, які використовують теплоту для технологічних і нетехнологічних цілей. Вторинні енергетичні ресурси можуть застосовуватися в водопідігрівачах систем хімічно очищеної води, гарячого водопостачання, підігріву живильної води для потреб підприємств, теплових завіс, розморожування твердого палива та будівельних сипучих матеріалів, подачі вторинного повітря в зону горіння палива.

Горіння газів

 

Матеріальний баланс горіння газів

 

До складу реакцій горіння входять всі складові повітря: кисень і азот. У реакцію горіння вступає тільки кисень, який взаємодіє з пальним газом як окислювач. Азот є баластом, у горінні не бере участь і горіння не підтримує, до того ж при високих температурах, що розвиваються в зоні горіння, розкладається, утворюючи канцерогенні речовини  та .

Для визначення кількості та складу компонентів продуктів згоряння, що утворюються при повному згорянні газового палива, складають матеріальний баланс горіння газу.

Горінням називають хімічну реакцію з'єднання горючих компонентів з киснем, яка протікає порівняно швидко в часі, супроводжується інтенсивним виділенням теплоти і різким підвищенням температури продуктів згоряння. Загальне рівняння реакції горіння будь-якого вуглеводню записується у вигляді рівняння:

 

,                       (1.1)

 

де m, n - число атомів вуглецю і водню в молекулі, шт.;

Q - тепловий ефект реакції, або теплота, що виділилася в результаті згорання, / ( / , / ).

Теплотою згоряння (тепловим ефектом) називається кількість теплоти, що виділиться в результаті повного згорання 1 кмоль, 1 кг або 1 газу при нормальних фізичних умовах.

Розрізняють вищу  і нижчу  теплоту згорання палива. Вища теплота згорання включає в себе величину прихованої теплоти конденсації водяної пари, що містяться в продуктах згорання. Зазвичай при спалюванні газового палива водяна пара, як правило, не конденсується, а видаляється разом з іншими продуктами згорання при температурі 130 - 150 , тому технічні розрахунки зазвичай ведуть за нижчою теплотою згорання, тобто без урахування прихованої теплоти конденсації водяної пари.

Якщо після теплової установки планується установка пристроїв, які видбирають приховане тепло конденсації водяної пари, що міститься в продуктах згорання, з подальшим її корисним використанням, то розрахунок необхідно виконувати за вищою теплотою згоряння палива.

У практичних розрахунках обчислення нижчої  і вищої  теплоти згоряння природних газових сумішей, ( / ), можна виконувати за наступними виразами:

 

       (1.2)

(1.3)

 

де , ,  і т.д. - процентний вміст компонентів, що входять в газову суміш.

Коефіцієнти, що стоять перед процентним вмістом компонентів, є табличними значеннями вищої та нижчої теплоти згоряння компонентів.

Кисень для спалювання газового палива зазвичай подається у складі повітря.

Потреби в кисні повітря при спалюванні складних газових сумішей визначаються на підставі теоретичної потреби в кисні окремих компонентів, що входять до складу суміші, /

,                                   (1.4)

 

де  - об'ємні частки i-х компонентів, що входять до складу газової суміші, ( / );

  - теоретична потреба i-го компонента в атомарному кисні, необхідному для повного згоряння компонента згідно з його хімічної реакції горіння,  / .

,76 - об'єм повітря, в якому міститься 1 кисню, / .

У практичних розрахунках обчислення теоретичної потреби в О₂ газових сумішей можна проводити за формулою:

 

                  (1.5)

 

де коефіцієнти, які стоять перед компонентами газової суміші, це теоретична потреба в кисні компонентів суміші,  / ;

, , ,… - процентний вміст компонентів, що входять до складу газової суміші.

Теоретичний об'єм вологого повітря, ,  / , більше теоретичного об'єму сухого повітря на величину об’єму, займаного наявними в ньому водяними парами,  /

 

,              (1.6)

 

де  - теоретичний об'єм сухого повітря, необхідного для повного згоряння 1 м³ газової суміші,  / ;

- вологовміст атмосферного повітря, г/кг.

Дійсна потреба в повітрі, ,  / , внаслідок недосконалості змішування горючого газу і окислювача в процесі горіння приймається дещо більшої теоретичної на величину б

 

,                                                 (1.7)

 

де  - коефіцієнт надлишку повітря, який для всіх типів пальників повинен відповідати вимогам ГОСТ.

Об’єми окремих компонентів продуктів згоряння газових сумішей можуть бути визначені за наведеними далі формулами.

Об’єм двооксиду вуглецю, який міститься в продуктах згорання обчислюється за формулою, /

 

.           (1.8)

 

Об’єм водяної пари, яка містяться в продуктах згорання, / , визначається за формулою

 

. (1.9)

 

Об’єм азоту, що міститься в продуктах згорання, / , визначається за формулою

 

.                                 (1.10)

 

Об’єм кисню, який міститься в продуктах згоряння, / , визначається за формулою

 

,                                       (1.11)

 

де , , , - об’єми компонентів , , , , / , що містяться в продуктах згоряння;

, , ,… - процентний вміст окремих компонентів, що входять до складу газової суміші;

, , - вологовміст поданого на горіння повітря і газу, г/кг;

- коефіцієнт надлишку повітря.

Повний об’єм вологих продуктів згоряння, / , визначається за формулою

 

.                          (1.12)

 

Температура горіння

Розрізняють такі температури горіння газів: температуру жаропродуктивності, калориметричну, теоретичну та дійсну.

Температура жаропродуктивності  - це максимальна температура продуктів повного згоряння газу, яка може розвинутися при адіабатичних умовах, тобто без підведення та відведення теплоти, з коефіцієнтом надлишку повітря  = 1,0, при температурі газу  і повітря , що дорівнює 0 . Її визначають методом послідовних наближень приймаючи для розрахунків її початкове значення 2000 .

 

,                                      (1.13)

 

де - сума похідних питомих об’ємів і теплоємностей компонен-тів продуктів згоряння.

Калориметрична температура   визначається з врахуванням фактичної температури газу та повітря які подаються. Вона відрізняється від температури жароподуктивності тим, що температура газу і повітря, а також коефіцієнт надлишку повітря приймаються за їх дійсним значенням.

 

,                                       (1.14)

 

або в розгорнутому вигляді:

 

,                      (1.15)

 

де - фізична теплота, що вноситься в топковий об’єм з повітрям і газовим паливом, / ;

, , ,  - об’єми відповідних компонентів, що містяться в продуктах згорання газу при дійсному коефіцієнті надлишку повітря > 1 і температурі , / ;

, , ,  - об'ємна теплоємність відповідних компонентів при сталому тискові і температурі , / .

Фізична теплота, що вноситься в топковий об’єм, / , визначається за формулою

,                                     (1.16)

 

де - фізична теплота, що вноситься в паливний об’єм з газовим па-ливом, / ;

-фізична теплота, що вноситься в паливний об’єм з повітрям, / _.

 

,                                        (1.17)

 

де  - об'ємні частки i -х компонентів, що входять до складу газової суміші. Визначаються за складом газової суміші, / ;

  - середня питома теплоємність при сталому тискові і температурі i -го компонента, що входить в склад газової суміші, / . Приймається з додатка В;

  - початкова температура газової суміші, .

 

,                                    (1.18)

 

де - дійсна витрата повітря, / . Визначається за формулою (1.7);

  - середня питома теплоємність повітря при постійних тиску і температурі , / . Приймається за таблицею додатка А;

 - температура повітря, яка подається в топковий об’єм;

Дійсна (розрахункова) температура - це максимальна температура, яка досягається в реальних умовах в найбільш нагрітій точці факела. Вона значно нижча теоретичної і залежить від втрат теплоти у навколишнє середовище, ступеня віддачі теплоти із зони горіння випромінюванням, розтягнутості процесу горіння в часі та ін.

 

,                                               (1.19)

 

де  - пірометричний коефіцієнт, який залежить від конструкції топки.