Расчет горения топлива. Общее количество продуктов сгорания. Составление материального баланса. Применение метода интерполяции

2. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Цель расчетов горения - найти количественные соотношения между сжигаемым газом, расходуемым на горение воздухом и образующимися продуктами сгорания при условии полного горения. Показатели горения рассчитывают стехиометрическим уравнениям горения компонентов горючей смеси.

Расчет ведут на 1 м³ сухого газа и все объемы относят к нормальным условиям.Расчет выполняется, ориентируясь на длиннофакельное сжигание топлива, осуществляемое, как правило, с коэффициентом избытка воздуха α=1,1 .  

Состав природного газа , %:

Метан                  СН₄            98,5

Этан                   С₂Н₆           0,797

Пропан                С₃Н₈           0,150

Изобутан            С₄Н₁₀          0,044

Н.бутан               С₅Н₁₂          0,053

Изопентан          С₆Н₁₄          0,011

Н.пентан             С₂Н₄           0,006

Азот                     N₂              0,292

Кислород              О₂             0,003

Углекислый  газ  СО₂           0,034

Вода                      Н₂О          0,11

---------------------------------------------Итого:                                    100%

Q^р_н=127,7CO+108H₂+358CH₄+590C₂H₄+555C₂H₂+636C₂H₆+913C₃H₈+

+1185C₄H₁₀+1465C₅H₁₂+234H₂S=358·98,5+590·0,006+636·0,797+913·0,1+

+1185·0,044+1465·0,053=33603,8 кДж/м³ ;                                                                                     (2.1)

2. Расход кислорода на горение [2, c.25] :

Vо₂= 0,01×(m + 0,25n)×åС_mC_n = 0,01×(2СН₄ + 3,5С₂Н₆ + 5С₃Н₈ + +6,5С₄Н₁₀+ 8С₅Н₁₂ + 9,5С₆Н₁₄ + 3С₂Н₄) = 0,01×(2×98,5 + 3,5×0,797 +5×0,15+ +6,5×0,044 +8×0,053 + 9,5×0,011 +3×0,006) =2,014 м³/м³  ;                                                   (2.2)

3. Расход  сухого воздуха при α=1,1 вычисляем по формуле:

V_в = n×(1+k)×Vо₂=1,1×(1+3,762) ×2,014=10,550 м³/м³ ;                                        (2.3)

где    k = 3,762 – отношение обьемных содержаний N2 и О2 в дутье   воздуха),

4. Обьемы отдельных составляющих продуктов сгорания [2,с.25]:

Количество двуокиси углерода, образующееся при полном сгорании

1 м³ газа, зависит только от содержания в нем компонентов, в состав которых входит углерод и от содержания самой двуокиси углерода (в качестве балластной примеси):

Vсо₂ = 0,01×(СО₂ + måС_mC_n) = 0,01×(CО₂ + СН₄ + 2С₂Н₆ + 3С₃Н₈ + +4С₄Н₁₀ + 5С₅Н₁₂ + 6С₆Н₁₄ + 2С₂Н₄)= 0,01×(0,034 + 98,5 + 2×0,797 + 3×0,15 + +4×0,044 +5×0,053 + 6×0,011 + 2×0,006) = 1,011 м³/м³;                                                            (2.4)

Количество водяного пара как образующегося при полном сгорании 1 м³ топлива, так и переходящего в продукты сгорания из воздуха и из самого топлива определяется на основании стехиометрического уравнения горения по формуле:

Vн₂о = 0,01×(Н₂О + 0,5nåС_mC_n) = 0,01 (Н₂О + 2СН₄ + 3С₂Н₆ + 4С₃Н₈+

+5×0,044 + 6×0,053 + 7×0,011+ 2×0,006) = 2,007 м³/м³  ;                                                          (2.5)

 Учитывая, что азот, содержащийся как в воздухе, так и в самом топливе в горении участия не принимает и полностью переходит в продукты сгорания, его количество на 1 м³ газа можно определить по формуле:

VNО₂ = 0,01 N₂ + a×k×Vо₂= 0,01×0,292 + 1,1×3,762×2,014 = 8,337 м³/м³ ; (2.6) 

  Количество кислорода, которое по завершении процесса горения оказывается избыточным и переходит в продукты сгорания, составляет:

Vо₂ = (a-1)×Vо₂= 0,1×2,014 = 0,201 м³/м³   ;                                                                (2.7)

5. Общее количество продуктов сгорания [2, с.25], м³/м³:

åV_п.с. = Vсо₂ + Vн₂о₂ + VNО₂ + Vо₂  = 1,011 + 2,007 + 8,337 + 0,207 = =11,556 м³/м³;                                                                                                                                                             (2.8)

6. Процентный состав продуктов сгорания:

r_CO2= Vсо₂/åV_п.с.=(1,011/11,556) ×100=8,748% ;                                 (2.9)

r_H2O= Vн₂о /åV_п.с.=(2.007/11,556) ×100=17,368% ;                             (2.10)

r_NО2= VN₂ /åV_п.с.=(8.337/11,556) ×100=72,144% ;                              (2.11)

r_O2= Vо₂/åV_п.с.=(0.201/11,556) ×100=1,739%;                                    (2.12)

7. Правильность расчетов проверяем составлением материального баланса:

Поступило    100 м³  газа:                                        Получено, 11,556 м³ :

СН₄             0,985×16=15,76                                   CO₂       1,011×44=44,484

С₂Н₆            0,079×30=0,2391                                  H₂O      2,007×18=36,126

С₃Н₈            0,0015×44=0,066                                  N₂        8,337×28=233,436

С₄Н₁₀           0,00044×58=0,02552                            O₂       0,201×32=6,432

С₅Н₁₂           0,00053×72=0,03816                             ----------------------С₆Н₁₄           0,00011×86=0,00946                             Итого:        320,478 м³

С₂Н₄            0,00006×28=0,00168

О₂                0,00003×32=0,0096

Н₂О            0,0011×18=0,0198

NО₂            0,00292×28=0,08176

СО₂            0,00034×44=0,01496

------------------------------------Всего:                    16,2574 м³;

Воздух:                 32×2,21+ 28×8,34=304,24 м³;

------------------------------------Итого:                    304,24+16,2574=320,497 м³;

Погрешность материального баланса составляет :

%;

8.  Определяем энтальпию воздуха при температуре подогрева t_в=400°C:

 ;                           (2.13)

где  =1,3302 ·°С       [1, с.345];

9. Определяем энтальпию газа при температуре t_г=20°C:

;    (2.14)

где    --теплоемкости компонентов газа [1, с.345]; 

10.  По формуле [1,с.86] определяем истинную энтальпию продуктов сгорания: 

;     (2.15)

11. Для определения калориметрической температуры воспользуемся методом  последовательных приближений:

h_i= t`_к ×r_i × c_i  ;                                                                                                                               (2.16)

Принимаем t`_к=1900°C:

h_CO2= 1900×0,0875×2,4393=405,534 кДж/м³ ;                                              

h_H2O= 1900×0,174×1,9252=636,471 кДж/м³;                                                 

h_NО2= 1900×0,721×1,4780=2024,712 кДж/м³;                                                

h₁₉₀₀=3066,717 кДж/м³;                                                

Принимаем t”_к=2000°C:

h_CO2= 2000×0,0875×2,4552=429,66 кДж/м³ ;                                                

h_H2O= 2000×0,174×1,9449=676,825 кДж/м³ ;                                                

h_NО2= 2000×0,721×1,4851=2141,514 кДж/м³ ;                                             

h₁₉₀₀=3247,999 кДж/м³;

Методом интерполяции производим уточнение:

;                   (2.17)

Принимаем  =1964 ^оС.

      Для определения действительной температуры в печи необходимо