14.3 Расчеты нещадного сгорания газообразного топлива

В равновесных условиях при температуре более 800 °Ссостав продуктов сгорания определяется компонентами реакции водяного газа. Концентрация метана при равновесных условиях столь незначительная, что его можно не учитывать в расчетах. Равновесный углерод может образоваться в случае сжигания природного газа при α ≤0,25, а в случае сжигания мазута — при α ≤0,38. При сжигании топлива на основе СО и Н₂ углерод не образуется.

При расчете состава продуктов неполного сгорания топлива составляют балансы углерода, водорода и кислорода и решают балансовые уравнения относительно V_CO2 :

V_CO2=V⁰_CO2-V_CO2;  (14.6)

V_H2O=V⁰_CO2+V_CO2-2(1-α) ;   (14.7)

V_H2=V_CO2++2(1-α)V⁰_O2-V⁰_CO2 ;   (14.8)

где V_CO2, V_CO, и V_H2-объем CO₂, CO, H₂0 и H₂, получаемых при неполном сгорании, м3/м3 газа; V⁰_CO2 и V⁰_H2O — объем СO₂ и Н₂0, получаемых при полном сгорании газа, м3/м3 газа; — объем кислорода, поступающего с воздухом при α=1,0 м3/м3 газа.

Константа равновесия реакции водяного газа

СO₂ + Н₂ = СО + Н₂0 (14.9)

равна

K= P_CO  = V_CO2V_H2,  (14.10)
Значения константы равновесия реакции водяного газа К в зависимости от температуры приведены ниже:

Подставляя значения V_CO, V_H2O и V^T_H2 в формулу (14.10) и решая полученное уравнение относительно V_CO2 получаем

где  B=V⁰_H2O-(k-2)V_CO2+2(1-α)(K-1)

Имея на основании расчета полного сгорания газа при α=1,0 значения величин V⁰_H2O,и V⁰_O2 и задаваясь значением константы равновесия реакции водяного газа, можно по формуле (14.11) найти содержание СO₂ в продуктах неполного сгорания при данном коэффициенте расхода воздуха, а затем по формулам (14.6) — (14.8) определить соответственно содержание СО, Н₂0 и Н₂ в продуктах сгорания.

Количество азота в продуктах сгорания подсчитывают по формуле V_N2=V⁰_N2α+V^T_N2    (14.12)

где  V^T_N2 - количество азота в газообразном топливе, м3/м3 газа; V⁰_N2 — количество азота, поступающего с воздухом при α=1,0, м3/м3 газа; V⁰_N2,=0,79 L0=3,762 V⁰_O2.Здесь L0—теоретическое количество воздуха при α =1,0, м3/м3 газа.

Рис. 14.3. Отношение СО/СОг и H₂/H₂0 в продуктах неполного сгорания газообразного топлива в зависимости от коэффициента расхода воздуха:):
1— попутный нефтяной газ, Q^p_H =51,1 МДЖ/М3; 2 — природный газ, Q^p_H=35,0 МДЖ/М3; 3 — смесь природного и коксового газов, Q^p_H= 30,20 МДЖ/М3; 4 — коксовый газ, Q^p_H= 17,10 МДЖ/М3; 5 — смесь доменного и коксового газов, Q^p_H= 12,55 МДж/м&sub3;; 6 — то же, Q^p_H = 10,10 МДж/м&sub3;

Количество влажных продуктов сгорания при α≤1

V^α_H=

Для нахождения количества сухих продуктов сгорания из количества влажных необходимо, вычесть количество водяных паров

V_H2O=V⁰_CO2+V_H2+V_N2  (14.14)

Результаты расчетов неполного сгорания ряда газообразных топлив приведены на рис. 11.68—11.81. Схема построения этих графиков и способ их использования такие же, как и для полного сгорания топлива (см. разд. 14.1).

На рис. 14.3 приведены отношения СО/СO₂ и Н₂/Н₂0 в продуктах неполного сгорания наиболее распространенных газообразных топлив при 1100—1300°C (K=3,0) в зависимости от коэффициента расхода воздуха.

Отношение количества тепла, выделяемого при неполном сгорании газа, к количеству тепла, выделяемому при полном сгорании в зависимости от α для газообразных топлив, приведено на рис. 14.5.

Рис.14.4. Калориметрическая температура сгорания t_K в зависимости от температуры подогрева воздуха t_в и коэффициента расхода воздуха:
а — попутный нефтяной газ, Q^p_H=51,1 МДж/м&sub3;; б — природный газ, Q^p_H=35,0 МДж/м&sub3;; в — смесь природного и коксового газов, Q^p_H=30,20 МДж/м&sub3;; г - коксовый газ, Q^p_H=17,10 МДж/м&sub3;; д - смесь доменного и коксового газов, Q^p_H=12,55 МДж/М»; е - то же, Q^p_H= 10,10 МДж/м&sub3; (цифры на рисунке tв °С)

Калориметрическая температура неполного сгорания, получаемая в случае отсутствия потерь тепла в окружающее пространство, в зависимости от α и tв для тех же топлив приведена на рис. 14.4.

С помощью рис. 14.6 можно определить температуру подогрева воздуха, необходимую для получения калориметрической температуры сгорания 1700, 1800 и 1900 °С при различных значениях а в зависимости от теплоты сгорания газа.

На рис. 14.7 дана зависимость от теплоты сгорания газа величины коэффициента расхода воздуха, при котором в продуктах неполного сгорания СО/СО2=3,0, а H₂/H₂0 = 1,0, что обеспечивает безокислительный нагрев, и температуры подогрева воздуха, необходимой при этом коэффициенте для получения температуры сгорания 1700, 1800 и 1900°C

.

Рис. 14.8. Увеличение калориметрической температуры сгорания в зависимости от температуры подогревагаза и коэффициента расхода воздуха:
а —попутный нефтяной газ, Q^p_H= 51,1 МДж/м&sub3;; б —природный газ, Q^p_H= 35,0 МДЖ/М3; В - смесь природного и коксового газов, Q^p_H—30,20 МДж/м&sub3;; г — коксовый газ, Q^p_H= 17,10 МДЖ/М3; д — смесь доменного и коксового газов, Q^p_H ~ 12,55 МДЖ/М3; е — смесь доменного и коксового газов, Q^p_H —10,10 МДЖ/М3 (цифры на рисунке — температуры подогрева газа°C)

Увеличение калориметрической температуры неполного сгорания в зависимости от повышения температуры подогрева газа при различных α для ряда газообразных топлив приведено на рис. 14.8.

Рис.14.9. Калориметрическая температура неполного сгорания природного газа Q^p_H —35,0 МДЖ/М3 В зависимости от обогащения воздуха кислородом, коэффициента расхода воздуха а и температуры подогрева воздуха tв (сплошные линии tв — 0°С; штриховые α=0,5)

Эффективность сжигания топлива в воздухе, обогащенном кислородом, состоит в сокращении содержания азота в продуктах сгорания, а следовательно, в повышении развивающихся при сгорании температур.

На рис. 14.9 дана калориметрическая температура неполного сгорания природного газа (Q^p_H=35,0 МДж/м&sub3;) в зависимости от содержания кислорода в воздухе, α и t_в.