Расчёт горения топлива. Расчёт времени нагрева металла

Расчёт горения топлива:

Исходные данные:

Топливо –доменный газ. Низшая рабочая теплота сгорания топлива

Q_н^р = 3,76 кДж/м³

Состав доменного газа:

СН₄ = 1,2%

Н₂ = 3,13%

СО = 23,43%

N₂ = 56,34%

СО₂ = 15,9%

Найдём низшую рабочую теплоту сгорания топлива :

Q_н^р = 127,7´ СО + 358´ СН₄ +108´ Н₂

Q_н^р = 127,7´ 23,43 + 358´ 1,2 + 108´ 3,13

Q_н^р = 3760 кДж/м³

В качестве окислителя подаётся воздух. Температура подогрева в рекуператоре t_в = 400°С. Теплоёмкость воздуха при такой температуре составит С_в^t = 1,3302 кДж/м³ °С.

Найдём теоретически необходимое количество кислорода для горения газа:

VO₂ = 0,01´ (Н₂ + 0,5´ СО + 2´ СН₄ )

VO₂ = 0,01´ (3,13 + 0,5´ 23,43 + 2´ 1,2)

VO₂ = 0,16 м³/м³

Найдём расход воздуха на горение:

Vв = a´(1 + r)´ VO₂

где : a - коэффициент избытка воздуха. a = 1,1

r – отношение объёмных содержаний N₂ и О₂ в дутье (для воздуха r = 3,762)

Vв = a´(1 + 3,762)´ 0,16

Vв = 1,1´ (1 + 3,762)´ 0,16

Vв = 0,82 м³/м³

Найдём объёмы компонентов продуктов сгорания :

Объём трёхатомных газов:

VRO₂ = 0,01´ (СО₂ +СО + СН₄)

VRO₂ = 0,01´ (15,9 + 23,43 + 1,2)

VRO₂ = 0,40 м³/м³

Объём водяных паров:

VН₂О = 0,01´ (2´ СН₄ )

VН₂О = 0,01´ (2´ 1,2)

VН₂О = 0,055 м³/м³

Объём азота:

VN₂ = 0,01´ N₂ + a´ r ´ VO₂

VN₂ = 0,01´ 56,34 + 1,1´ 3,762 ´ 0,16

VN₂ = 1,21 м³/м³

Объём кислорода:

V’O₂ = (a - 1)´ VO₂

V’O₂ = (1,1 - 1)´ 0,16

V’O₂ = 0,016 м³/м³

Объём продуктов сгорания:

Vп.г. = VRO₂ + VН₂О + VN₂ + V’O₂

Vп.г. = 0,40 + 0,055 + 1,21 + 0,016

Vп.г. = 1,688 м³/м³

Истинная энтальпия продуктов горения:

i_п.г. = (Q_н^р + Vв ´ С_в^t´ tв)/ Vп.г.

i_п.г. = (3760 + 0,82 ´ 1,3301´ 400)/ 1,688

i_п.г. = 2485,368 кДж/м³

Теплоёмкость продуктов горения:

С_п.г. ^t = (C_RО2´ VRO₂ + С_Н2О´ VН₂О + С_N2´ VN₂ + С_О2´ V’O₂)/ Vп.г.

С_п.г. ^t = (2,36´ 0,40 + 1,83´ 0,055 + 1,44´ 1,21+ 1,53´ 0,016)/ 1,688

С_п.г. ^t = 1,678 кДж/м³ °С.

Калориметрическая температура горения:

t_к = i_п.г./ С_п.г

t_к = 2485,368_./ 1,678

t_к = 1481,15 °С

Действительная температура горения :

t_д = t_к ´ h_пир

где h_пир – пирометрический коэффициент. Примем h_пир = 0,95.

t_д = 1481,15´ 0,95

t_д = 1407,091 °С

            Расчёт времени нагрева металла

Принимаем, что проектируемый колодец имеет два периода нагрева – до температуры поверхности 900 °С с последующей выдержкой для равномерного распределения температуры по сечению, и период окончательного нагрева до требуемой температуры поверхности и последующей выдержки.

Температура газов в зоне теплообмена равна:

в начале I-го периода зоны :

°С

°С

Парциальные давления СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания равны:

r_СО2 = 9,0 кПа ;                     r_Н2О = 17,6кПа

Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяжённости. В этом случае эффективная длина луча определяется по формуле:

S_эф = 1,8 Н

Принимая высоту от пода до крышки Н=3 м, находим эффективную длину луча зон горения и теплообмена:

тогда:

Так как толщина слоя для зоны горения мала, примем =0, что означает теплообмен между зоной горения и кладкой только за счёт конвекции.

Для зоны теплообмена:

Для температуры °С находим :

_со2 =0,11    _н2о = 0,185     = 1,09

Для температуры °С находим :

_со2 =0,09    _н2о = 0,145     = 1,09

Плотность теплового потока излучением на кладку равна:

в начале I-го периода нагрева:

Вт/м²

в конце I-го периода нагрева:

Вт/м²

Принимаем значение коэффициента конвективной теплоотдачи от факела горения к кладке равным = 150 Вт/(м² К) найдём плотность конвективного теплового потока

Ориентировочно зададимся температурой кладки

В начале I периода нагрева:

= 628°С

= 18143,95 Вт/м²

находим температуру кладки

принимаем

= 901 К (628 °С)

 = 5,01 Вт/(м² К)

= 31850,82 Вт/м²

в конце I-го периода нагрева :

= 1112°С

= 73707,32 Вт/м²

= 1385 К (1112 °С)

 = 5,20 Вт/(м² К)

= 114228,80 Вт/м²

Средняя в течении I-го периода нагрева плотность результирующего теплового потока на металл равна

= 64501,9 Вт/м²

Находим температуру центра слитка в конце I-го периода нагрева:

= 383°С

находим среднюю температуру металла:

°С

= 555°С

находим время I-го периода нагрева

=12407 с (3,45 ч)

Время томления металла

Перепад температур по сечению металла в конце I-го периода нагрева:

=530°С

желаемый перепад

=100°С

Степень выравнивания температуры

= 0,135

Находим критерий Фурье = 2,7 находим среднюю температуру металла в период томления (выдержки)

=694°С

Время томления металла

=14508с (4,04 ч)

Время нагрева металла во II-й период нагрева.

Так как конец нагрева в период томления (выдержки) является началом нагрева во II-й период нагрева, то из предыдущего расчёта заимствуем:

=0,248;    = 1153°С;   = 900°С;   =800°С;   =1112°С;   = 114228,8 Вт/м²

В конце II –го периода нагрева :

= 1220°С;   °С

Для температуры °С находим :

_со2 =0,078    _н2о = 0,115     = 1,09

 Вт/м²

задаваясь значением

= 1245°С

находим

= 40548,8 Вт/м²

= 1518 К (1245 °С)

 = 5,51 Вт/(м² К)

= 30342,24 Вт/м²

Средняя по времени II-го периода нагрева плотность результирующего теплового потока на металл равна

= 63278,96 Вт/м²

Температура центра слитка в конце II-го периода нагрева составит:

= 1019°С

средняя температуры металла:

= 1086°С

находим время II-го периода нагрева

=15344 с (4,26 ч)

Время томления металла

Перепад температур по сечению металла в конце ШI-го периода нагрева:

=201°С

желаемый перепад

=50°С

Степень выравнивания температуры

= 0,24

Находим критерий Фурье = 1,6 находим среднюю температуру металла в период томления (выдержки)

=1136°С

Время томления металла

=13032с (3,62 ч)

Общее время нагрева металла:

= 12407+14508+15344+13032=55291 с (15,36 ч).

Определение основных размеров колодца

Для нагрева в камеру колодца загружается 12 слитков размером 700´700´2000 мм.

Масса одного слитка

=7644 кг

Вес слитков, находящихся одновременно в колодце

= 7644 ´ 12 = 91728 кг

С учётом шага раскладки (=0,3) между слитками длина камеры колодца равна

= 12 м

Высота камеры колодца – 3м

Ширина - = 3 м.

Производительность колодца

= 91728/55291 = 1,66 кг/с

Составление теплового баланса печи и определение расхода топлива

Для футеровки крышки колодца выберем шамот класса А толщиной 300 мм. Стены выполним двухкомпонентными из шамота и диатомитового кирпича. Слой шамота – 345 мм, слой диатомита – 115. Суммарная толщина стен печи 460 мм. Под камеры также выполним двухслойным - высокоглинозёмистый кирпич толщиной 460 мм и диатомитовый кирпич толщиной 115 мм.

При составлении баланса примем некоторые упрощения -  будем опускать расходные статьи баланса, не превышающие 5% от всего расхода.

Приход тепла.

Тепло от сгорания топлива:

Q_хим = 3760 ´ Вт, кВт

Теплота за счёт подогрева воздуха в регенеративном теплообменике до Т = 673 К :

Q_т = Вт ´ V_в´ i_в = Вт ´ V_в´с_в ´ t_в = Вт ´ 0,82 ´ 1,33´ 400 = Вт ´ 436 , кВт

Теплота за счёт подогрева топлива в регенеративном теплообменике до Т = 673 К :

Q_г = Вт ´ V_г´ i_г =  Вт ´ 1 ´ 571,2 , кВт

i_г= (808,93´1,2 + 520,86´3,13 + 532,58´23,43 + 526,89´56,34 + 777,44´15,9)/100 = 571,2 кДж/м³

Приход тепла с экзотермическими реакциями окисления металла не учитываем

Расход тепла.

Q_мет^том = Р_печи ´ (i₂ – i₁) = 1,66 ´ (820,8 – 10,17) = 1345