Размещено на http://www.allbest.ru/

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ПО СОСТАВУ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Р.Т. Искаков, В.С. Энгельшт

Аннотация

Развит метод определения температуры горения по составу газовых выбросов (OH, NO, CO, SO) применительно к сжиганию обводненного водорода, обводненного углерода и бурого угля различной влажности. Дана оценка погрешности нахождения температуры.

Введение

Авторами работы [1] предложен метод расчета средней температуры горения по измеренным концентрациям оксида азота (NO) и диоксида серы (SO₂) в газовых выбросах. Рассматривалось сжигание мазута и водомазутных эмульсий в воздухе. Расчет состава продуктов горения получен путем термодинамического анализа на ЭВМ по программе АСТРА-3 [2]. Результаты расчета обработаны методами регрессионного анализа. Получена следующая зависимость:

сжигание температура газовый выброс

t=1518^-1.012F^-0.166C_S^0.171C_H2O^-0.001,

где температура горения t в ^оС, F=C_SO2/C_NO, C_SO2 и C_NO в мг/м³, концентрации в исходном топливе серы C_S и воды C_H2O в %, - коэффициент избытка окислителя (воздуха). Аналогичная формула, полученная, по-видимому, для средних концентраций серы и воды в топливе, приведена теми же авторами в работе [3]

t=1722,463F^-0.166-1.012,

Отметим, что другие формулы, приведенные в [1] и связывающие температуру горения с концентрацией оксида углерода (СО), также могли бы быть обобщены для расчета температуры горения.

Здесь мы развиваем метод [1] на примере сжигания обводненного водорода [4], обводненного углерода [5], а также бурого угля различной влажности [6]. Даем оценку погрешности определения температуры горения.

Метод исследования

С помощью программы АСТРА.4/pc [7] проведен расчет состава продуктов горения обводненного водорода и обводненного углерода при Р=0,1 МПа, Т=1500,2000,2500,3000 К. Состав горючей смеси задавался по формулам:

2%H₂+16%O₂+х%H₂O, где х=0; 1,8; 4,8; 18; 30; 36%.

2%H₂+16%O₂+52.3%N₂+х%H₂O, где х=0; 1,8; 4,8; 18; 20; 22%.

12%C+32%O₂+x%H₂O, где х=0; 1,8; 4,8; 18; 24; 36; 48; 60; 66%.

12%C+32%O₂+104.6%N₂+х%H₂0, где х=0; 1,8; 4,8; 18; 24; 30; 36%.

Диапазон температур горения выбран из следующих соображений. Температура Т=1500 К является нижним пределом устойчивого горения обводненного топлива [8]. Максимальная температура Т=3000 К взята потому, что при этой температуре уже достаточно низок коэффициент использования топлива (неполнота сжигания) [4,5]. В работах [4,5] определена адиабатическая температура горения в указанных топливных смесях. Диапазон температур горения, для которых здесь проводятся расчеты, перекрывает адиабатические температуры. При этом предполагается, что если температура горения меньше адиабатической, то существует теплоотвод из зоны горения либо через стенки топки, либо в холодильник, помещенный непосредственно в топке (металлические трубы с охлаждающей водой) [9]. Если температура горения больше адиабатической, то существует дополнительный подогрев топливной смеси или ее отдельных компонентов (топлива, окислителя) путем использования тепла отходящих газов [8], либо за счет плазменного или иного подогрева.

Результаты расчетов

Результаты расчетов приведены в табл.1 и на рис.1. Здесь концентрации ОН, NO, CO в моль/кг, W1% - влажность топлива. На рис.1 приведены также значения концентраций указанных веществ при адиабатических температурах (кружочки), полученные нами ранее [4,5].

Обсуждение результатов

Из рис.1 видно, что значения концентраций при адиабатических температурах ложатся на соответствующие кривые, что и следовало ожидать. Для концентрации ОН при сжигании водорода в кислороде в широком диапазоне влажности топлива (W1=094.74%) температура горения является универсальным параметром, определяющим эту концентрацию. Другими словами, все значения концентраций ОН, независимо от влажности топлива, ложатся на одну кривую. То же самое можно сказать о концентрации NO при сжигании водорода в воздухе и при сжигании углерода в воздухе, концентрации CO при сжигании углерода в воздухе. Наблюдается небольшое расслоение кривых в зависимости от влажности топлива для концентрации ОН при сжигании водорода в воздухе, концентрации СО при сжигании углерода в кислороде. Еще большее расслоение наблюдается для концентрации ОН при сжигании углерода в кислороде и в воздухе. В случаях расслоения кривых по влажности концентрация ОН возрастает с увеличением влажности, тогда как концентрация СО уменьшается. Определение температуры для универсальных кривых возможно по измеренным концентрациям ОН, NO, СО без учета влажности топлива. В тех случаях, когда происходит расслоение кривых, необходимо использовать ту из них, которая соответствует известной влажности топлива. Для определения температуры горения можно воспользоваться как графической зависимостью логарифма концентрации от температуры (см рис.1), так и приведенными в табл.1 результатами с применением интерполяции между расчетными температурами.

Табл. 1

Рис. 1 Равновесные концентрации ОН, NO, CO как функции температуры горения

Рис. 1 (Продолжение)

Коэффициент передачи ошибки К, а именно связь погрешности определения температуры Т/Т с погрешностью измерения М/М концентрации соответствующей компоненты М найдена следующим образом. Весь диапазон температур разбит на интервалы 15002000, 20002500, 25003000 К, в каждом из которых LnT практически линейно зависит от LnM. В этих интервалах концентрации OH, NO, CO как функции температуры аппроксимировались в двойном логарифмическом масштабе отрезками прямых

LnT=a+KLnM.

Параметр К и является коэффициентом передачи ошибки, что следует из варьирования указанной формулы, а именно

Т/Т=КМ/М.

Так были вычислены коэффициенты передачи ошибки К для всех топливных смесей, которые усреднены и приведены в табл.2.

Табл. 2

Из табл.2 видно, что при изменении влажности в широком диапазоне разброс коэффициентов передачи ошибки К невелик. Это говорит о практически одинаковом наклоне соответствующих кривых в заданных диапазонах температур. Коэффициент передачи ошибки, как правило, несколько возрастает с увеличением температуры. Он изменяется в диапазоне 0,0660,185. Это означает, что погрешность определения температуры в 155 раз меньше ошибки определения концентрации. Таким образом, точность определения температуры достаточно высока. Из приведенных выше формул автора [1,3] коэффициент передачи ошибки К=0,166 близок полученным нами.

В работе [6] проведен термодинамический анализ по программе АСТРА-3 [2] сжигания бурого угля месторождения Кара-Киче. Варьировались влажность угля: W1=1% (обезвоженный уголь), W1=19% (естественная влажность угля) и W1=40% (водоугольная суспензия). Варьировался также состав окислителя: воздух, воздух содержащий удвоенную, утроенную, учетверенную концентрацию кислорода и чистый кислород. Расчитывалась адиабатическая температура и состав продуктов сгорания. Адиабатическая температура изменялась в диапазоне 20003000К за счет обогащения воздуха кислородом. Показано, что адиабатическая температура является универсальным параметром, определяющим концентрацию оксидов СО и SO независимо от влажности угля. Приведенные в [6] зависимости концентраций CO, SO от адиабатической температуры аппроксимировались отрезками прямых в двойном логарифмическом масштабе. Это дало коэффициент передачи ошибки (Т=20003000) К=0,114 для СО и К=0,081 для SO. Это также близко полученным выше коэффициентам передачи ошибки.

Данный метод определения температуры горения по составу газовых выбросов предполагает, что концентрации этих компонентов при отборе пробы на анализ несущественно отличаются от их концентраций в зоне горения. Принципиально это возможно, если производить быстрый отбор пробы непосредственно из зоны горения с «замораживанием» газовой смеси. Однако можно ожидать, что концентрации этих компонентов в газовых выбросах будут несущественно отличаться от тех, что образуются в зоне горения. По крайней мере известно [8,9], что реакции доокисления NO+O₂NO₂, CO+O₂CO₂ имеют малую скорость. Что касается образования перекиси водорода Н₂О₂ из гидроксила ОН по реакции 2ОНН₂О₂, то даже если она проходит при охлаждении газов, то это можно учесть измеряя в пробе одновременно концентрации ОН и Н₂О₂ с последующим пересчетом к содержанию ОН. Тем более, что наши расчеты показывают, что концентрация Н₂О₂ при горении топлив меньше концентрации ОН на порядки. Относительно доокисления SO в SO₂ мы информацией не располагаем.

Выводы

1. Рассчитана концентрация молекул OH, NO, CO при температурах горения 15003000К для обводненного водорода и обводненного углерода. Полученные зависимости концентраций от температуры пригодны для нахождения температуры по составу газовых выбросов.

2. Дана оценка погрешности определения температуры данным методом. Она в 515 раз меньше ошибки определения концентрации (OH, NO, CO, SO).

3. Необходим дальнейший анализ соответствия концентраций пирометрических молекул (OH, NO, CO, SO) в аналитической пробе и зоне горения.

Литература

Маймеков З.К. Физико-химические основы использования газо-жидкостных потоков при оптимизации процессов сжигания топлива и рекарбонизации водно-солевых систем. Автореферат… докт.техн.наук, Шымкент, 1994. 45 с.

Синярев Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. М.: Наука, 1982, 263 с.

Кебец А.П., Маймеков З.К., Иманакунов С.Б. Физико-химическое моделирование на ЭВМ процесса горения жидкого топлива и водомазутных эмульсий. Известия АН РК, 1992, №1, с. 29-32.

Искаков Р.Т., Энгельшт В.С. Термодинамический анализ влияния влажности на горение водорода //Известия НАН КР, 2002, № 4, Бишкек.

Искаков Р.Т., Энгельшт В.С. Термодинамический анализ влияния влажности на горение углерода //Вестник ИГУ, 2002, № 8, Каракол, с. 27-35.

Десятков Г.А., Ларькина Л.Т., Энгельшт В.С. Состав продуктов сгорания бурого угля месторождения Кара-Кече. Теплообмен в парогенераторах. /Материалы всесоюзной конференции, июнь, 1988 г., Новосибирск, 1988. с. 247-252.

Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах. (ASTRA. 4/pc), Центр Программных Систем МГТУ им.Н.Э.Баумана. М., 1993. 43 с.

Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.:Химия, 1990. 304 с.

Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля. М.:Энергоатомиздат. 1983. 328 с.

Размещено на Allbest.ru