14.1.1. Характеристика топлива

Для отопления нагревательных и термических печей применяют главным образом газообразное топливо, иногда мазут.

Основные характеристики топлива: Теплота сгорания — количество тепла, выделяемое при сгорании 1 м³ или 1 кг топлива. Низшая теплота сгорания Q^V_H — физическое тепло газообразных продуктов сгорания. Высшая теплота сгорания Q^p_H — тепло, которое было бы выделено при охлаждении продуктов сгорания до 0°С, т. е. физическое тепло и тепло, выделяемое при конденсации водяных паров. Однако в печных агрегатах продукты сгорания никогда не остывают до 0°C, а поэтому Q^p_H является более показательной характеристикой.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 м³ газа или 1 кг мазута, определяют по расчету сгорания топлива. Действительное количество воздуха, подаваемое на 1 м³ или 1 кг топлива, как правило, отличается от теоретического и его выбирают исходя из технологических соображений. Отношение действительного и теоретического количества воздуха носит название коэффициента расхода воздуха α.

Калориметрическая температура сгорания  t_k — температура продуктов сгорания при действительных значениях температуры газа и воздуха и коэффициента расхода воздуха. При увеличении коэффициента расхода воздуха калориметрическая температура продуктов полного сгорания понижается, а при подогреве газа или воздуха повышается.

Действительная температура сгорания  зависит от продолжительности процесса горения во времени, прямой теплоотдачи в окружающее пространство, химического и механического недожога. Приближенно действительную температуру сгорания можно определить по уравнению  = , где  — эмпирический пирометрический коэффициент, для проходных печей (методических, с шагающим подом и шагающими балками) его принимают равным 0,7—0,75 и для садочных печей совершенной конструкции 0,80—0,85.

В табл. 14.1 приведены характеристики горючих компонентов важнейших газообразных топлив.

14.1.2. Графики расчета сгорания и методика их составления

Примером графика расчета сгорания является Стандарт предприятия (СТП) для смеси доменного и коксового газов (рис. 14.1).

Линии энтальпий продуктов сгорания пересекают кривые, соответствующие теплу, выделенному при сжигании топлива с данным а при различной температуре подогрева. Абсцисса точки пересечения этих кривых с кривыми энтальпий продуктов  сгорания соответствует значению калориметрической температуры сгорания газа. Ордината этой точки соответствует энтальпии продуктов сгорания при этой температуре.

На нескольких примерах проиллюстрируем правила использования графика расчета.

Пример1. Определить t_k сгорания смеси доменного и коксового газов с Q^p_H =  7,55 МДж/м³, сжигаемой при α = 1,1 и температуре подогрева воздуха 600 °С, а также энтальпию продуктов сгорания при этих условиях.

По рис. 14.1 находим точку пересечения кривой энтальпии при α =1,1 с кривой температур подогрева воздуха 600 °С. Эта точка соответствует калориметрической температуре 2000 °С и энтальпии продуктов сгорания 9,0 МДж/м³.

ТАБЛИЦА 14.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРЮЧИХ КОМПОНЕНТОВ ВАЖНЕЙШИХ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ

Пример2. Определить энтальпию продуктов сгорания того же газа при 1450 °С и α=1,2.

 

Рис. 14.1. Пример расчета горения смеси доменного и коксового газов состава, % (объемн.): С0² 9,2; СО 20,8; Н₂ 17,5; СН₄ 7,2; C_mH_n 0,6;0² 0,2; N₂ 42,2; Н₂0 2,3. Плотность газа, кг/м³: влажного 1,07, сухого 1,07; Q^K_H , МДж/м³: влажного 7,55, сухого 7,73. Продукты сгорания; плотность (при α =-1,0) 1,30 кг/м³; состав, %:
а —влажных; б —сухих; 1 — калориметрическая температура сгорания в зависимости от подогрева воздуха; 2 -то же, от подогрева газа;3 –от подогрева газа и воздуха до одинаковой температуры: 4 — энтальпия 1 м³ газа; 5 - энтальпия воздуха, идущего на сжигание 1 м³ газа при α=1,0

На рис. 14.1 находим точку, соответствующую температуре продуктов сгорания 1450 °С и α=1,2. Этой точке соответствует энтальпия продуктов сгорания 6,7 МДж/м³.

Пример 3. Определить состав влажных и сухих продуктов сгорания того же газа при α=1,6.

По рис. 14.1, а находим состав влажных продуктов сгорания: 11,0% С0²; 10,0% Н₂0; 6,5% 0² и по рис. 14.1,6 находим состав сухих продуктов сгорания: 12,5 % С0², 6,7 % 0².

По рис. 14.1, кроме приведенных примеров расчета, можно получить ряд дополнительных величин.

1. Значение калориметрической температуры сгорания и энтальпии продуктов сгорания при подогреве газа и воздуха.

Пример.Определить энтальпию продуктов сгорания и калориметрическую температуру сгорания газа с Q^P_H=1,4 и температурах подогрева воздуха 700°С, а газа 450°С.

На рис. 14.1 на расстоянии т+п, где т — отрезок, соответствующий энтальпии воздуха при 700 °С (см. линию 5), а п — отрезок, соответствующий энтальпии газа при 450 °С (см. линию 4), от линии 6 проводим параллельно ей линию АВ, которая соответствует энтальпии продуктов сгорания при заданных условиях, т. е. 9,85 МДж/м³ газа. Абсцисса точки пересечения линии АВ с кривой энтальпии продуктов сгорания при α =1,4 соответствует t_k = 1880 °С.

1. Решение задач, связанных с сжиганием топлива и использованием тепла.

Пример 1. Определить конечную температуру продуктов сгорания того же газа при разбавлении их воздухом до α =1,7. Начальная температура продуктов сгорания 1250°С, α= 1,0.

На рис. 14.1 находим точку С, соответствующую энтальпии продуктов сгорания при 1250°C и α = 1,0. Из точки С проводим линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения в точке Dс кривой, соответствующей α = 1,7. Абсцисса точки Dотвечает искомой температуре 920 °С.

Пример 2. Определить количество холодного воздуха, необходимое для разбавления продуктов сгорания (снижения его температуры от 1700 до 950 °С) в случае первоначального α = 1,2.

На рис. 14.1 находим точку Е, соответствующую энтальпии продуктов сгорания при 1700°С и α= 1,2. Из точки Е проводим линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения в точке F с ординатой, соответствующей температуре продуктов сгорания 950 °С. Точка Fсоответствует значению α = 2,9. Количество воздуха для разбавления находим как произведение разности коэффициентов расхода воздуха Δα = 2,9—1,2 на количество воздуха, необходимого для сжигания газа при α =1,0, см. рис. 14.1: (2,9—1,2)*1,68=2,86 м³ газа.

Пример 3. Определить температуру продуктов сгорания после рекуператора. Темпера--ура продуктов сгорания до рекуператора равна 1200°С при α=1,2. Коэффициент расхода воздуха после рекуператора α=1,4. Температура подогрева воздуха, подаваемого из расчета сжигания газа с α=1,2, составит 700 °C.

По рис. 14.1 находим, что энтальпия продуктов сгорания при 1200°С и α=1,2 равна 4,45 МДж/м³ газа, а энтальпия воздуха при 700°C   и  α=1,0    (кривая   5) составляет 1,7 МДж/м³. Исходя из этих цифр определяем энтальпию продуктов сгорания после рекуператора при условии 20 % потерь тепла: 5,45—  (1,7*1,2)*1,2 = 3,0 МДж/м³ газа, этой энтальпии при α=1,4 соответствует температура 620° С.

Пример 4. Определить количество тепла, которое необходимо отобрать для снижения температуры продуктов сгорания с 1900 до 1300 °С при α=1,1.

По рис. 14.1 находим энтальпию продуктов сгорания при α=1,1 и температуре 1900 °С. Эта величина составит 8,5 МДж/м³ газа, а при температуре 1300 °С 5,65 МДж/м³ газа. Количество тепла, которое необходимо отобрать, определяем как разность энтальпий продуктов сгорания 2,85 МДж/м³ газа.

Пример 5. Определить среднюю теплоемкость продуктов сгорания от 0 до 1400 °С при α= 1,3.

По рис. 14.1 находим энтальпию продуктов сгорания при 1400°С и α = 1,3 (6,83 МДж/м³ газа). Количество продуктов сгорания, образующихся в процессе сжигания газа при  α=1,3, равно 2,98 м³ газа. Теплоемкость получим как частное от деления энтальпии продуктов сгорания на их объем и температуру:

6,83*103/2,98-1400= 1,63 кДж/(м³*К).

Пример.Определить среднюю теплоемкость газа от 0 до 600°C.

При температуре газа 600 °С его энтальпия равна 0,92 МДж/м³ (см. кривая 4). Средняя теплоемкость газа будет 0,92*103/600=  1,53 кДж/(м³*К).

Пример 6. Определить среднюю теплоемкость воздуха при температуре от 0 до 900 °С.

При температуре воздуха 900 °С его энтальпия, равна 2,22 МДж/м³ газа (см. кривую 5). Теоретическое количество воздуха составит 1,68 м³/м³ газа. Среднюю теплоемкость получим как частное от деления энтальпии воздуха на его теоретическое количество и температуру: 2,22 • 103/1,68• 900 = 1,47 кДж/ (м³*К).

В табл. 14.2—14.10 дан пример расчета сгорания смеси доменного и коксового газов при Q^p_H=7,55 МДж/м³

В табл. 14.2 вписываем химический состав газа. Затем, исходя из реакций сгорания (см. табл. 14.1), для каждой составляющей газа подсчитываем необходимое для сгорания количество кислорода и количество образующихся продуктов сгорания. На основании этих подсчетов определяем количество воздуха и продуктов сгорания при  α=1,0. Для определения количества воздуха при других значениях α полученную величину умножают на соответствующее значение α.

Для определения количества продуктов сгорания при других значенияхα к величине, полученной при α =1,0, прибавляют разность между количествами воздуха при соответствующем α и α=1,0.

Остальные таблицы заполняют на основании данных табл. 14.2. Во всех таблицах прямым шрифтом напечатаны неизменяемые данные формы, а курсивом — цифры конкретного расчета, на основании которого составлен пример графика расчета сгорания (см. рис. 14.1).

Для проверочных расчетов построения графиков сгорания топлив, не находящих широкого применения, и построения дополнительных линий на существующих графиках можно рекомендовать упрощенный графический метод. 

ТАБЛИЦА 14.2: КОЛИЧЕСТВО ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ. СГОРАНИЯ

ТАБЛИЦА 14.3. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ СУХОГО И ВЛАЖНОГО ГАЗА

ТАБЛИЦА 14.4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

ТАБЛИЦА 14.5 ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ CГОРАНИЯ ПРИ α-1,0 И РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

ТАБЛИЦА 14.6. ЭНТАЛЬПИЯ ВОЗДУХА, ПОСТУПАЮЩЕГО НА ГОРЕНИЕ, кДж/м³ ГАЗА

ТАБЛИЦА 14.7. ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ α , кДж/м³ ГАЗА

Таблица 14.8. Энтальпия газа

ТАБЛИЦА 14.9. ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ, кДж/м³ ГАЗА

При построении графика этим методом необходимо заполнить только табл. 14.2, 14.3 в 14.5, графу для α=1,0 табл. 14.6, графу для α=2,0 табл. 14.7 и 14.8.

На рис. 14.2 наносим линии энтальпий газа 1, воздуха 2, продуктов сгорания 3 при α=1,0 и 4 — при α=2,0 и абсциссу 5 соответствующую теплоте сгорания  влажного газа.
Расстояние между линиями 3 и 4 делим в нескольких местах на десять равных частей f точки серий α₁α₂α₃α₄. Через эти точки зроводим линии, которые соответствуют энтальпиям продуктов сгорания при α от 1,1 до 1,9 с интервалом 0,1.

От линии 4 в нескольких точках  b₁-b_s т откладываем на ординате отрезки n₁-n_s, соответствующие энтальпии воздуха при α=1,0 (линия 2). Полученные точки b₁-b₅ соединяем и получаем линию 6, соответствующую энтальпии продуктов сгорания при  α = 3,0. Аналогичен образом можно провести линии, соответствующие энтальпии продуктов сгорания при любых коэффициентах расхода воздуха.
Для построения линии энтальпий и калориметрических температур при определенной степени подогрева воздуха берем отрезок (например, п3), соответствующий энтальпии воздуха при выбранной температуре подогрева (например, 700 °С), и на линии 5 находим точку (в нашем примере d), в которой отрезок ординаты между линиями 5 и 3 равен отрезку, соответствующему энтальпии воздуха. Точка пересечения ординаты, проведенной через эту точку, с кривой 3 (в нашем примере d)соответствует энтальпии и калориметрической температуре при подогреве воздуха до заданной температуры (700 °С) и α=1,0. Аналогичные точки для остальных значений находим, беря отрезки, равные произведению энтальпии воздуха при заданной температуре и  α=1,0 на соответствующее значение α.

Через полученные точки проводим линию (в нашем примере 7 через серию точек d), которая будет линией энтальпий и калориметрических температур при выбранном подогреве воздуха.

При построении линий энтальпий и калориметрических температур при подогреве газа (например, до 400 °С) откладываем в любой точке линии 5 на ординате отрезок (например, m) ,соответствующий энтальпии газа при принятой температуре. В нашем примере через точку f проводим линию 8, параллельную оси абсцисс, которая и будет линией энтальпий и калориметрических температур при подогреве газа до 400 °С.

Линии энтальпий и калориметрических температур при подогреве газа и воздуха строим аналогично линиям для подогрева одного воздуха.

Однако в этом случае нужно вести построение не с линии 5, а с линии принятого подогрева газа (например, при подогреве газа до 400 °С, а воздуха до 700 °С — с линии 8), беря за основу отрезок, соответствующий энтальпии воздуха при заданной температуре (например, п4). В нашем примере точки построения линии энтальпии и калориметрических температур при подогреве газа и воздуха обозначены е, им соответствует линия 9.

14.1.3. Графики расчета полного сгорания газообразного топлива и мазута

В табл. II.1 приведены теплота сгорания и рабочий состав топлив, для которых даны графики расчета сгорания. В последней графе таблицы указаны номера рисунков графиков. Графики расчетов полного сгорания топлив представлены на рис. ИЛ—11.42. Все они выполнены по тому же принципу, что и на рис. 14.1, кроме рис. 11.39 и 11.42.
На рис. 11.42 приведена треугольная диаграмма, по которой можно определить теплоту сгорания и калориметрическую температуру тройных смесей газов. Диаграмма построена для смеси доменного D (см. рис. 11.2). коксового К (см. рис. II.4) и природного П  (см. рис. II.6) газов. Каждая точка на поле диаграммы отвечает определенному составу тройной смеси газов. Сплошные тонкие линии — линия равного процентного содержания какого-либо из компонентов. Стороны треугольника отвечают составу бинарных смесей, а углы составу чистых газов. Штрихпунктирными линиями на поле диаграммы нанесены значение теплоты сгорания газов, сплошными жирными линиями — значения калориметрической температуры сгорания для холодной смеси газов и холодного воздуха, а штриховыми линиям то же, для холодной смеси газов и воздуха подогретого до 500 °С.

Приведем примеры задач, которые уде решать с помощью диаграммы.

Пример 1. Определить теплоту сгораю калориметрическую температуру сгорания си из 28 % доменного, 42 % коксового и 3 природного газов влажностью 2,3 %.

На рис. 11.42 находим точку, отвечают заданному составу смеси. Этой точке соответствует теплота сгорания сухой смеси г 18,6 МДж/м³ и калориметрическая температура сгорания при холодном воздухе 2010 ° ( при воздухе, подогретом до 500 °С, — 231'

Пример 2. Определить состав смеси с теплотой сгорания 10,0 МДж/м³ и калориметрической температурой сгорания при холодномвоздухе 1900°С.

На рис. 14.2 находим точку пересечения штрихпунктирной линии, отвечающей теп сгорания 10,0 МДж/м³, и сплошной жирной линии, отвечающей калориметрической температуре сгорания при холодном воздухе 190 Эта точка соответствует смеси из 58 % до доменного, 40 % коксового и 2,0 % природ газов.

На основном графике рис. 11.39 дана зависимость энтальпии продуктов сгорания α=1,0 и различном содержании пропана и бутана в газообразном топливе. Верхний график дает поправочный коэффициент на калориметрическую температуру для случая сжигания газа с α> 1,0.