Расчет процесса горения топлива

6 РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

 

     Топливо –  это горючие вещества, сжигаемые  для получения теплоты. При выборе вида топлива нужно учитывать:

– достаточен ли его состав;

– качество (топливо должно содержать минимальное количество негорючих примесей).

     В зависимости от природы топливо делится на искусственное (бензин, керосин, кокс и т.д.) и природное (дрова, торф, уголь и т.д.).

     Твердое и  жидкое топливо в том виде, в котором оно поступает к  потребителю, называется рабочим  и состоит из следующих элементов:

 

С^р + S^p + H^p + O^p + N^p + A^p + W^p = 100%

               I                II             III

 

I – горючая часть топлива, Sо_бщ. = Sо_рг. + S_мин.,

II – внутренний балласт топлива,

III – внешний балласт топлива,

А – зольность,

W – влажность.

     Основным горючим  элементом топлива является углерод.  Содержание серы в топливе составляет 1-6%. Водород – самый полезный элемент. Кислород и азот в составе топлива в процессе горения не участвуют.

     Зола – негорючая  минеральная часть топлива, ее  наличие в составе топлива  нежелательно, т.к. она оседает  на нагреваемых поверхностях, ухудшает передачу тепла в теплоносителе

     Влага в  топливе составляет 5-70%.

     Для отопления  проектируемого здания в качестве  топлива применяется каменный уголь Воргашорского месторождения. Состав топлива:

 

С^г = 82 %; Н^г = 5,3 %; S^г = 0,7 %; = 0,6%; N^г = 2,2 % О^г = 9,8 %; А^г =19,5 %; W^р = 7 %.

 

      Для пересчета  топлива с горючей массы на  рабочую используют формулы:

А^р = А^с·(100 - W^p)/100;

С^р = С^г·[100 - (А + W)]/100;

Н^р = Н^г·[100 - (А + W)]/100;

S^р = S^г·[100 - (А + W)]/100;

N^р = N^г·[100 - (А + W)]/100;

O^р = O^г·[100 - (А + W)]/100;

·[100 - (А + W)]/100;

 

А^р =19,5·(100 – 7)/100 = 18,14 %

С^р = 82 ·[100 - (18,14 + 7)]/100 = 61,4 %;

Н^р = 5,3 ·[100 - (18,14 + 7)]/100 = 3,96 %;

S^р = 0,7 ·[100 - (18,14 + 7)]/100 = 0,52 %;

= 0,6·[100 - (18,14 + 7)]/100 =0,45 %

N^р = 2,2 ·[100 - (18,14 + 7)]/100 = 1,65 %;

O^р = 9,8 ·[100 - (18,14 + 7)]/100 = 7,33 %.

 

Состав влажного рабочего топлива, %, представлен в таблице:           

          

                Таблица № 4

Cp	Нр	Ор	Np	Sp	Ap	Wp	Сумма
61,4	3,96	7,33	1,65	0,52	18,14	7	100

 

     Расчет процесса  горения топлива включает 2 этапа:

определение количества воздуха, необходимого для горения;

определение состава и  количества дымовых газов.

Определение количества воздуха, необходимого для горения.

     Количество  теплоты, которое отдает топливо,  оценивается теплотой сгорания  топлива – количеством тепла,  выделяемом при полном сгорании     1 кг твердого или жидкого топлива.

     Низшая теплота  сгорания, не учитывающая тепло  водяных паров, рассчитывается  по формуле:

 

= 338·С^р + 1025·Н^р – 108,5·(О^р – S^р) – 25·W^р = 338·61,4+ 1025·3,96 – 108,5·(7,33 – 0,52) – 25·7 = 21530,6 кДж/кг = 21,5МДж/кг.

 

      Теоретически  необходимое для горения топлива  количество сухого воздуха определяется  по формуле:

  

= 0,0889·С^р + 0,265·Н^р + 0,033·(S^р – O^р) = 0,0889·61,4 + 0,265·3,96+ 0,033·(7,33 – 0,52) = 6,76 м³/кг.

 

     Расход атмосферного  топлива, подаваемого в топку:

 

 ·(1 +0,0016·d) = 6,76·(1 +0,0016·10) = 6,9 м³/кг,

 

где d – влагосодержание, принимается равным 10 г/кг.

     Действительный  объемный расход сухого воздуха:

 

L_дейст. = ·α = 6,9·1,2 = 8,2 м³/кг,

 

где α – коэффициент  избытка α = 1,05÷1,3.

 

     Массовый расход  атмосферного воздуха при его  избытке α = 1,2 и  

                                         

плотности ρ = 1,293 кг/м³ определяется по формуле:

 

М' = L'дейст.·ρ =  8,2·1,293 = 10,6 кг воздуха/кг топлива

 

Определение состава  и количества дымовых газов.

 

Количество и состав продуктов  полного сгорания топлива определяют по формулам:

 

= 0,01855·C^р = 0,01855·61,4 = 1,14 м³/кг,

 

= = /22,4=1,14·44/22,4 = 2,24кг/кг,

 

= 0,007·S^р = 0,007·0,52 = 0,00208 м³/кг,

 

= · = 0,00208·64/22,4 = 0,006 кг/кг,

 

= 0,112·H^р + 0,0124·W^р + 0,0161·d· = 0,112·3,96 + 0,0124·7+

 

+0,0161·10·6,69 = 1,61 м³/кг,

 

= · = 1,61·18/22,4 = 1,29 кг/кг,

 

= 0,79·Lдейст. + 0,008·N^р= 0,79·10,53 + 0,008·1,65= 8,35 м³/кг,

 

= · = 8,35·28/22,4 = 10,44 кг/кг,

 

=0,21·(α – 1)· L⁰ _дейст = 0,21·(1,2 – 1)·6,69 = 0,28 м³/кг,

 

= = 0,28·32/22,4 = 0,40 кг/кг,

 

V_общ= 1,14 + 0,00208 + 1,61 + 8,35 + 0,28 = 11,38м³/кг.

 

     Объемный процентный  состав продуктов горения топлива  определяется по формулам:

 

СО₂ = 100/ V_общ · = 100·1,14/11,38 = 11%,

SO₂ = 100/ V_общ · = 100·0,002/11,38 = 1%,

Н₂О = 100/ V_общ · = 100·1,16/11,38 = 11%,

N₂ = 100/ V_общ · = 100·8,35/11,38= 74%,

О₂ = 100/ V_общ · = 100·0,28/11,38= 3%.

 

Проверка: СО2 +  SO2 + Н2О + N2 + О2 = 11 + 1 + 11+ 74 + 3  =100%.

 

Составляем материальный баланс процесса горения на 1 кг топлива и сводим в таблицу:

                                        Таблица № 6

Приход	Количество, кг	Расход	Количество, кг
Топливо	1,000	Топочные газы
р С	0,614	СО2	1,1
р Н	0,04	SO2	0,1
p S	0,01	Н2О	1,1
p O	0,0733	N2	7
p N	0,02	О2	0,3
p A	0,1814	Зола	0,1814
p W	0,1
Атмосф. воздух	8,2
Итого	9,3		9,8

 

Невязка баланса:

(9,8 – 9,3)/9,3·100%=1 %.

 

Невязка баланса составила  <1,5%, следовательно, можно сделать  вывод о том, что данный вид топлива, а именно каменный уголь, подходит для отопления в г.Казани.

6.1 Составление теплового баланса  котельного агрегата

     При сжигании  топлива не все количество  теплоты, выделившееся в топке,  полезно используется на нагрев  воды. Часть теплоты теряется  с уходящими газами, либо в результате химического недожога. Следовательно, основной задачей является снижение этих потерь до минимума.

     Экономичность  котла оценивается его коэффициентом  полезного действия, который определяется  из уравнения теплового баланса,  выраженного в процентном отношении:

 

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆

 

где q₁ – полезно используемое тепло (КПД котельного агрегата);

q₂ – потери теплоты с уходящими дымовыми газами, колеблются в пределах 8-10%;

q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива – 1-3%;

q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, 1 – 6%;

q₅ – потери теплоты в ОС, в зависимости от мощности котла 0,2 – 0,7%;

q₆ – потери теплоты с теплом шлаков, только для твердого топлива, 1,0-1,6%.

Тогда:

q₁ = 100 – 9 – 2 – 6 – 0,7 – 3 = 79,3%

 

     Для обеспечения  необходимой тепловой мощности  котельного агрегата необходимо определить расход топлива:

 

В = Qзд· ·360·n/·ηк.а., кг/ч,

 

где Q_зд – теплопотери здания, Вт;

n – количество зданий, принимаем равным 10;

- низшая теплота  сгорания топлива, кДж/кг.

 

В = 26316·360·10/(21530,6 ·79,3)= 55,5 кг/ч = 0,02 кг/с=200г/с.

 

     Суммарную  поверхность нагрева котлов определяют  по формуле:

                                                                                                    

F = Qзд.· 1,15· n/q =26316·1,15· 10/2500 =121 м²,

 

где q –допустимое тепловое напряжение поверхности нагрева котла (для твердого топлива для чугунного котла с внешней топкой  принимаем q = 2500 согласно [1, с. 159, табл.VIII.5],

    

Необходимо установить 3 котла с  F = 41,2 м²  каждый.

Следовательно, принимаем  согласно [1, с157, табл.VIII.3] 3 котла марки «Универсал – 6» (поверхность нагрева – 41,2 м², длина – 2122 мм, ширина – 1966 мм).