Расчет процесса горения топлива и определение теплотехнических характеристик процесса горения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Кафедра химии

Курсовая работа

«Расчет процесса горения топлива. Определение

теплотехнических характеристик процесса горения»

Липецк 2017

Содержание

Введение

1. Источники тепловой энергии

2. Характеристики топлива (Технический анализ углей)

2.1 Теплота сгорания

2.2 Влажность

2.3 Зольность

2.4 Выход летучих

2.5 Сернистость (серосодержание)

2.6 Спекаемость

3. Задание и исходные данные

4. Расчет процесса горения твердого вещества

5. Составление теплового баланса котла

Вывод

Список используемой литературы



Введение

тепловой энергия сгорание топливо

Топливо -- это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии. Топливо различных видов, месторождений и шахт различается по своему составу. При рассмотрении твердого и жидкого топлива принято различать следующие его составляющие: углерод, водород, серу, кислород, азот, золу и влагу. Входящие в состав топлива кислород и азот относят к внутреннему органическому балласту топлива, а золу и влагу - к внешнему.

Состав твердого и жидкого топлива выражают в процентах по массе, газообразного - в процентах по объему.

Твердое и жидкое топливо состоит из горючей и негорючей частей. К горючей части топлива относят углерод, водород, кислород, азот и серу. Кислород и азот не горят; их включают в состав горючей массы условно. Поэтому горючую часть топлива называют условно горючей массой. Негорючая часть топлива -- которую прежде рассматривали как балласт, но теперь все чаще считают источником ценного минерального сырья -- состоит из влаги и золы. Органическую массу топлива составляют углерод, кислород и азот.

Топливо в том виде, в каком оно поступает в топки печи для сжигания, носит название рабочего топлива. Ввиду того что содержание в нем влаги может колебаться в широких пределах, состав топлива часто характеризуют его сухой массой.

Различные виды топлива (твердое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся теплота сгорания и влажность, к специфическим -- зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.



Таблица 1. «Классификация промышленного топлива» ^[5]

Происхождение	Физическое состояние
	твердое	жидкое	газообразное
Естественное	Дрова, торф, бурые угли, каменные угли, антрациты, полуантрациты, горючие сланцы	Нефть	Природный, попутный и нефтепромысловый газ
Искусственное	Древесный уголь, кокс, топливные брикеты, пылевидное топливо	Бензин, мазут, дизельное топливо, керосин, соляровое масло, смола, гудрон, бензол, спирт	Газы: сжиженный, нефтезаводской, коксовый, светильный, полукоксовый, доменный, воздушный, смешанный генераторный.

Как следствие, возникает необходимость всестороннего изучения свойств и характеристик различных видов топлива в условиях их промышленного использования, для чего существует два метода определения: расчетный и экспериментальный. Нами в данной работе был использован первый способ.



1. Источники тепловой энергии

Источниками тепловой энергии (в том числе и на пожарах) являются вещества, энергетический потенциал которых достаточен для выделения энергии. Источники энергии подразделяют на первичные и вторичные. Первичные - являются следствием природных процессов, вторичные - следствие практической деятельности человека. Пример первичного источника энергии - топливо.

Топливом называются различные углеродистые вещества органического происхождения. Оно встречается в природе в твердом, жидком и газообразном состоянии. К твердому топливу относят древесину, торф, бурый и каменный угли, антрацит, горючие сланцы, к жидкому - мазут, бензин и другие продукты переработки нефти. В качестве газообразного топлива используют природный газ.

Топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, различных минеральных примесей (золы) и влаги. Основные горючие элементы - углерод и водород. Состав топлива обычно задают в процентах на рабочую массу. Состав твердого и жидкого топлива выражается уравнением:

C^P + H^P + S^P + O^P + N^P + A^P + W^P= 100%

Состав газообразного топлива описывается зависимостью:

CH₄+C₂H₆+C₃H₈+C₄H₁₀+C₅H₁₂+H₂+CO+H₂S+CO₂+O₂+N₂ = 100%

В зависимости от того какая масса топлива берется в расчет каждому элементу присваивается свой надстрочный индекс.

Любое топливо можно представить в виде трех масс: горючей, сухой и рабочей. Для теоретических расчетов используют сухую, а в технологических-рабочую массу. ^[6]

Таблица 2. «Коэффициенты пересчета массы топлива»

Заданная масса топлива	Масса топлива
	Горючая	Сухая	Рабочая
Горючая	1
Сухая		1
Рабочая			1



2. Характеристики топлива

Различные виды топлива (твердое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся теплота сгорания и влажность, к специфическим -- зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.

2.1 Теплота сгорания

Основной энергетический показатель угля. Определяется 2 методами: экспериментальным путем (при сжигании навески угля в калориметрической бомбе), расчетным путем (по данным элементного анализа). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая- количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании в единице массы угля в калориметрической бомбе в среде кислорода. Низшая- как и высшая теплота сгорания за вычетом теплоты испарения воды, выделившейся и образовавшейся из угля во время сгорания.

2.2 Влажность

Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания вследствие увеличенного расхода теплоты на испарение влаги и увеличения объема продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара). Влагу топлива подразделяют на две части: внешнюю и внутреннюю.

При добыче топлива, транспортировке и хранении в него попадают подземные и грунтовые воды, влага из атмосферного воздуха, вызывая поверхностное увлажнение кусков топлива. С уменьшением размера кусков удельная поверхность топлива увеличивается и увеличивается количество удерживаемой ею внешней влаги. К внешней также относится капиллярная влага, т. е. влага, заполняющая капилляры и поры, сильно развитые в торфе и бурых углях. Внешняя влага может быть удалена механическими средствами и тепловой сушкой. К внутренней относят коллоидную и гидратную влагу. Коллоидная влага является составной частью топлива. В его массе она распределяется очень равномерно. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива и содержания влаги в атмосферном воздухе. По мере увеличения степени углефикации топлива содержание коллоидной влаги падает. Много коллоидной влаги в торфе, меньше в бурых углях и мало в каменных углях и антрацитах. Гидратная или кристаллизационная влага химически связана с минеральными примесями топлива, главным образом сернокислым кальцием и алюмосиликатом. Гидратной влаги в топливе содержится мало, она становится заметной в многозольных топливах. При подсушке испаряется часть коллоидной влаги, но практически не изменяется содержание гидратной влаги. Последняя может быть удалена лишь при высоких температурах. Твердое натуральное топливо при пребывании на воздухе теряет, а подсушенное приобретает влагу до тех пор, пока давление насыщенного пара влаги топлива не уравновесится с парциальным давлением влаги воздуха, т. е. с его относительной влажностью. Твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью называют воздушно-сухим топливом.

Важной технической характеристикой является гигроскопическая влажность топлива, получаемая при подсушке до равновесного состояния в воздушной среде при точно выраженных условиях: температуре 20±1°С и относительной влажности 65±5% (ГОСТ 8719-58). С повышением степени углефикации топлива гигроскопическая влага уменьшается. Влажность рабочей массы различных топлив колеблется в широких пределах. Для определения влажности топлива готовят лабораторную пробу измельчением топлива до кусочков размером 3 мм и меньше. Пользуются и аналитической пробой, подготовленной из лабораторной измельчением ее частиц до размеров меньше 100 мкм и подсушкой до воздушно-сухого состояния. Влажность рабочего топлива определяют сушкой лабораторной пробы при температуре около 105°С до достижения ею постоянной массы. Аналитическую влагу определяют тем же методом сушкой аналитической пробы топлива.

Повышенная влажность приводит к снижению теплоты сгорания топлива и увеличению его расхода, к увеличению объема продуктов сгорания, а, следовательно, потерь тепла с уходящими газами и затрат на удаление их из парогенератора. Кроме того, высокая влажность способствует выветриванию и самовозгоранию твердого топлива при его хранении. С повышением влажности ухудшается сыпучесть твердых топлив. В зимнее время высокая влажность может вызвать смерзаемость топлива, нарушающую нормальную работу устройств топливоподачи с резким уменьшением подачи топлива.

2.3 Зольность

Зольность - количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания вследствие уменьшения содержания горючих компонентов и увеличения расхода тепла на нагрев и плавление минеральной массы. Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующийся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например, окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей. В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии. Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах.

Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив -- 500°С). По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы: с легкоплавкой золой t₃?1350 °С, с золой средней плавкости t₃=1350ч1450 °С и с тугоплавкой золой t₃>1450 °С.

2.4 Сернистость

Общая сера угля представлена видами:

где S₀ - органическая сера, представленная двумя формами: первичной (продукт преобразования белков исходных растений) и вторичной (получены углем в процессе геологической жизни пласта);

-минеральная сера;

- пиритная сера (колчеданная, дисульфидная);

- сульфатная сера;

-элементарная сера (свободная).

Вся сера угля, взаимодействующая с кислородом при его сжигании называется горючей (органическая, пиритная, элементарная).

Для определения серы используется метод Эшка.

Навеска угля в тигле сжигается в муфельной печи при 850 ?С в присутствии реагентов (оксид магния и карбонат натрия), для связывания образующихся оксидов серы. При этом оксиды серы переходят в сульфаты магния и натрия, которые затем осаждаются в солянокислом растворе хлорида бария в виде сульфата бария, по количеству которого рассчитывается показатель общей серы.

2.5 Выход летучих веществ

Одними из наиболее важных теплотехнических характеристик топлив являются величина выхода летучих и свойства коксового остатка. При нагревании твердых топлив происходит распад термически нестойких сложных, содержащих кислород углеводородистых соединений горючей массы с выделением горючих газов: водорода, углеводородов, окиси углерода и негорючих газов -- углекислоты и водяных паров. Выход летучих веществ определяют нагреванием пробы воздушно-сухого топлива в количестве 1 г без доступа воздуха при температуре 850°С в течение 7 мин. Выход летучих, определенный как уменьшение массы пробы испытываемого топлива за вычетом содержащейся в нем влаги, относят к горючей массе топлива. У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ различны.

По мере увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается. Для сланцев выход летучих составляет 80--90% от горючей массы; торфа -- 70%. Для бурых углей -- 30--60%, каменных углей марок Г и Д -- 30--50%. У тощих углей и антрацитов выход летучих мал и соответственно равняется 11--13 и 2--9%. Поэтому содержание летучих веществ и их состав могут быть приняты в качестве признаков степени углефикации топлива, его химического возраста.

После отгонки летучих веществ из топлива образуется так называемый коксовый остаток. При содержании в угле битуминозных веществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние или расплавляются, порошкообразная проба угля, испытываемого на содержание летучих, может спекаться и вспучиваться. Способность топлива при термическом разложении образовывать более или менее прочный кокс называется спекаемостью.

2.6 Спекаемость

Одним из направлений использования каменного угля является его переработка в металлургический кокс твердый продукт высокотемпературного (900^оС) разложения каменного угля без доступа воздуха, обладающий определенными свойствами. Далеко не все угли способны спекаться, т.е. переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с последующим образованием связанного нелетучего остатка.

Таким образом, коксуемость есть спекаемость, но первое понятие более узкое.

Спекаются угли марок Г, Ж, К, ОС, но металлургический кокс можно получить только из углей марки К или из смеси углей, которая по свойствам приближается к ним. Такая смесь называется шихтой.

Для оценки спекаемости применяют много методов, основанных на различных принципах. Их можно разделить на три основные группы:

1. Основанные на характеристике нелетучего остатка после термического разложения углей;

2. Основанные на способности углей спекать инертные примеси;

3. Характеризующие пластичность размягченной угольной массы.

Примером метода, относящегося к первой группе, является определение типов кокса по Грей-Кингу. Оно проводится путем коксования образца угля в стандартных условиях и сравнения внешнего вида получившегося нелетучего остатка с эталонными образцами.

Ко второй группе причисляется, например, установление индекса Рога. Испытуемый образец спекают в стандартных условиях с инертной добавкой (антрацит) и проверяют прочность на истирание получившегося твердого тела в барабане Рога. Отношение разрушившейся и неразрушившейся части образца характеризуют индексом Рога.

В нашей стране в качестве стандартного метода определения спекающей способности принят пластометрический метод Сапожникова-Базилевича. Принято считать, что чем больше толщина пластического слоя, тем больше спекающая способность данного угля. Этот метод, относящийся к третьей группе, позволяет оценить не только спекаемость данного угля, но и подобрать шихту для коксования.^[4]



3. Задание и исходные данные

Произвести расчеты горения вещества (топлива) с целью определения теплотехнических характеристик процессов горения. Для заданного варианта расчета в соответствии с составом вещества и коэффициентом избытка воздуха при горении определяют следующие теплотехнические характеристики:

- теплота сгорания вещества (топлива);

- теоретические объемы воздуха для горения;

- теоретические объемы продуктов сгорания;

- действительные объемы газов.

В данной работе было использовано твердое горючее ископаемое.

Район добычи, месторождение - Донецкое.

Коэффициент избытка воздуха при горении б=1,13

Таблица

Месторождение	Донецкий УБ
Состав рабочей массы топлива	WP	8,5
	AP	22,9
	CP	63,8
	HP	1,2
	NP	0,6
	OP	1,3
	SP	1,7
Теплота сгорания, МДж/кг	22,6
Выход летучих веществ, %	3,5



4. Расчет горения твердого вещества (топлива)

Количество необходимого для горения воздуха (окислителя).

Расчет низшей рабочей теплоты сгорания по формуле Менделеева:

--

--

--

Минимальное теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания одного килограмма топлива:

--

--

Действительное количество воздуха, необходимое для сжигания одного килограмма топлива определим по формуле:

--

--

Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании одного килограмма топлива теоретически необходимым количеством воздуха:

--

--

--

--

--

--

--

--

Объем продуктов сгорания при сжигании 1 килограмма топлива в действительном количестве воздуха.

--



5. Составление теплового баланса котла

Теплотехническое оборудование.

Способы сжигания топлива в зависимости от вида топки

Основные виды топочных устройств:

· слоевые,

· камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания крупнокускового твердого топлива. Они могут быть с плотным и кипящим слоем. При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не влияя на его устойчивость, то есть сила тяжести горящих частиц превышает динамический напор воздуха. При сжигании в кипящем слое благодаря повышенной скорости воздуха частицы переходят в состояние "кипения". При этом происходит активное перемешивание окислителя и топлива, благодаря чему интенсифицируется горение топлива.

В камерных топках сжигают твердое пылевидное топливо, а также жидкое и газообразное. Камерные топки подразделяются на циклонные и факельные. При факельном сжигании частицы угля должны быть не более 100 мкм, они сгорают в объеме топочной камеры. Циклонное сжигание допускает больший размер частиц, под влиянием центробежных сил они отбрасываются на стенки топки и полностью выгорают в закрученном потоке в зоне высоких температур.^[7]

В полумеханической топке (рис. 1) подача топлива механизирована, а золоудаление, как и у ручной топки, требует затраты мышечной энергии кочегара. На складе топлива установлена дробилка. От нее по транспортеру дробленый уголь подается в бункер 1. В его нижней части установлен питатель 2, подающий уголь в полость механического забрасывателя. Он представляет вал 3 с лопатками, от удара которых уголь разбрасывается по поверхности колосниковой решетки с поворотными колосниками.

Рис. 1 Полумеханическая топка

Однако мелкая фракция угля не улетает далеко и образует завал у передней стенки топки. Поэтому часть дутьевого воздуха 5, идущего в объем зольника 6, подается в полость 4. В наклонной поверхности выполнен ряд отверстий, и воздух, выходя струями из этих отверстий, увлекает за собой мелкую фракцию разбрасывая её по всей колосниковой решетке.^[3]

Тепловой баланс котла имеет вид, %,

q₁ +q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ = 100, (10)

Полезно использованная теплота q₁, %,



q₁ = з_к , (11)

где з _к - КПД котла, %.

Для всех котлов, работающих на мазуте и газе, з _к = 89%, для угольных при производительности 2000 …5000 кг/ч з _к = 78%, при 6000 …7000 кг/ч з _к = 80%, при большей производительности з _к = 82%.

Потеря теплоты с уходящими в атмосферу дымовыми газами q₂, %,

, (12)

где t_г = 120…140 - температура газов за экономайзером, ^оС; = 1,3 - объемная теплоемкость газов при 120…140 ⁰С, кДж/м³ · К.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания q₃, %, определяется по табл.5.

Таблица 5. «Числовые значения q_3»

Вид топки	Ручная	Полумеханическая	Механическая	Камерная
				мазут	газ
q3, %	2…3	1	0,5 …1	2	1…1,5

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания q₄ ,% зависит от типа топки и марки угля. Для газа и мазута q₄ = 0.

Потеря теплоты с горячим шлаком q₆, %,

q₆ =419*(13)

Для мазута и газа q₆ = 0.

Потеря теплоты на внешнее охлаждение поверхностей q₅, %,



q₅ = 100 - (q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₆), (14)

Тепловая производительность котла Q_к, кДж/ч,

Q_к = D (h^|| -h_п.в) + D_пр (h^| - h_п.в), (15)

где h^|| - энтальпия (теплосодержание) сухого насыщенного пара при давлении в котле р_к, кДж/кг; h^| = 4,19*t^| - энтальпия кипящей в котле воды, кДж/кг; h_пв = 4,19 t_п.в - энтальпия питательной воды, кДж/кг.

Температуру питательной воды t_п.в принимают равной 100 ⁰С.

D_пр = D*i/100

количество воды, удаляемой из котла при продувках, кг/ч.

Процент продувки i для всех котлов принимаем равным 3 %.

Часовой расход топлива, кг/ч,

В_ч = 100 Q_к /Q_н^р з_к, (16)

Расчет будем проводить по полумеханической топке. Составим тепловой баланс.

Исходные данные:

1) паропроизводительность котла D=2000 кг/ч;

2) давление пара р_к=1,1 Мпа;

3) температура кипения воды t^|=183,2 ⁰С;

4) энтальпия пара h^//=2782 кДж/кг.

5) потеря теплоты от химической неполноты сгорания q₃=1 %;

6) потери теплоты от механической неполноты сгорания q₄=7%;

По формуле (11) рассчитаем полезно использованную теплоту: q₁ =78%.

Потерю теплоты с уходящими в атмосферу дымовыми газами определим по формуле (12):

q₂ =1,15*7,1*1,3*120*100/22600=5,63%.

Потеря теплоты с горячим шлаком рассчитывается по формуле (13):

q₆ =419*22,9/22600=0,42%.

Потерю теплоты на внешнее охлаждение поверхностей определим с помощью формулы (14):

q₅ = 100 - (78+5,63+1+7+0,42) =7,95%.

Тепловая производительность котла считается по формуле (15):

Q_к =2000(2782-4,19) +(2000*0,03) (4,19*183,2-4,19*100) = 5577 МДж/кг.

Часовой расход топлива (16): В_ч==267 кг/ч



Заключение

Мы произвели расчет теплотехнических характеристик угля Донецкого месторождения.

Результаты определения:

· Низшая рабочая теплота сгорания 24971,4 кДж/кг;

· Минимальное теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива 6,56 м³/кг

· V_RO2=0,114 м³/кг,

· V⁰_N2=5,342 м³/кг,

· V⁰_H2O=0,772 м³/кг;

· Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг топлива и в теоретически необходимом количестве воздуха 6,2 м³/кг;

· Объем продуктов сгорания при сжигании 1 кг топлива в действительном количестве воздуха 7,68 м³/кг.

Также нами был рассчитан тепловой баланс полумеханической топки котла:

· Полезно использованная теплота (КПД) 78%;

· Потеря теплоты с уходящими в атмосферу дымовыми газами 5,63%;

· Потеря теплоты от химической неполноты сгорания 1%;

· Потеря теплоты от механической неполноты сгорания 7%;

· Потеря теплоты на внешнее охлаждение поверхностей 7,95%;

· Потеря теплоты с горячим шлаком 0,42%;

· Тепловая производительность котла 5577 МДж/кг;

· Часовой расход топлива 267 кг/ч.



Список литературы

1. Нестеренко Л.Л., Бирюков Ю.В., Лебедев В.А. Основы химии и физики горючих ископаемых. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. - 359с.;

2. И.Л. Дунин, Н.В. Букаров Методические указания к курсовой работе по расчету процессов горения. Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2008. -23 с.;

3. В.М. Баранов Расчет тепловых процессов топки котла. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. - 24 с.;

4. ГОСТ Р 53357-2009. Топливо твердое минеральное. Технический анализ;

5. http://www.stroitelstvo-new.ru/steklo/toplivo.shtml;

6. http://stringer46.narod.ru/Fuel.htm;

7. http://topky.ru/fuel-burning.html;

8. ГОСТ Р 52205-2004. Угли каменные. Метод спектрометрического определения генетических и технологических параметров;

9. ГОСТ 537-85. Угли Донецкого бассейна для коксования. Технические условия

Размещено на Allbest.ru