Расчет горения газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

металлургический факультет

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

(РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА)

Липецк-2020

Введение

Топливо представляет собой горючее вещество, при окислении (горении) которого выделяется сравнительно большое количество тепловой энергии, используемой в металлургических технологиях для нагрева и плавления металлов и сплавов, нагрева жидких и газообразных сред и в других целях. Процесс, сопровождающийся окислением горючих компонентов различных видов топлива, назван с ж и г а н и е м.

Топливо должно удовлетворять ряду дополнительных признаков: наличию горючего вещества в топливе в количестве, которое способно обеспечить его использование как источника тепловой энергии; возможностью управления процессом сжигания; газообразным состоянием продуктов горения, образующихся при сжигании топлива, что существенно облегчает организацию их транспорта от теплового агрегата в окружающую среду; наличием в топливе и в продуктах его горения относительно малого количества вредных веществ, представляющих угрозу загрязнения окружающей среды, а также способностью сохранять свои энергетические свойства при дли-тельном хранении и транспортировке.

Перечисленным признакам удовлетворяют горючие вещества органического происхождения, содержащиеся в угле, нефти, природном и попутном газах. Этим же признакам удовлетворяют и некоторые виды побочных продуктов различных технологий, в частности металлургического производства - доменный и коксовый газы. Последние, по существу, относятся также к органическим видам топлива, так как являются производными технологических процессов, использующих каменный уголь или продукты его термического разложения.



Задание

По заданию, необходимо провести расчет горения газа используемого на ПАО «НЛМК».

Основные используемые газы и их химический состав отображены в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав газов ПАО «НЛМК»

Топливо	CO	H2	CH4	C2H4, C2H6	C3H8	C4H1	C5H12	CO2	O2	N2
Доменный газ	27-30	1,5-2,5	-	0,1-0,4	-	-	-	10-12	-	56-58
Коксовый газ	4,2-8,5	46-61	21-28	1,4-3,0	-	-	-	2,2-3,1	0,3-1,7	3,7-14
Природный газ	-	-	96	0,09	0,01	-	0,01	0,49	-	3,4

Для расчета горения газов использованы следующие коэффициенты:

Доменный газ

Влажность W = 3

Влагосодержание d = 10

Коэффициент избытка воздуха a = 1,2

Коксовый газ

Влажность W = 2

Влагосодержание d = 10

Коэффициент избытка воздуха a = 1,2

Природный газ

Влажность W = 1

Влагосодержание d = 10

Коэффициент избытка воздуха a = 1,2



1. Расчет горения доменного газа

Расчёт горения топлива.

Исходный состав газа:

CH4 = 27,10

C2H4 = 0,40

C3H8 = 0,00

C4H10 = 0,00

C5H12 = 0,00

CO2 = 12,00

N2 = 58,00

H2 = 2,50

Влажность W = 3

Состав влажного газа:

CH4 = 6,29

C2H6 = 0,39

C3H8 = 0,00

C4H10 = 0,00

C5H12 = 0,00

CO2 = 11,64

N2 = 56,26

H2 = 2,42

H2O = 3

Влагосодержание d = 10

Коэффициент избытка воздуха a = 1,2

Теплота сгорания топлива:

QРн = 358.2·CH4 + 637.5·C2H6 + 912.5·C3H8 + 1186.5·C4H10 + 1460.8·C5H12 = 358.2·26,29 + 637.5·0,39 + 912.5·0,00 + 1186.5·0,00 + 1460.8·0,00 = 9663,35 кДж/нм3

Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

L0 = 0.0476·(2·CH4 + 3.5·C2H6 + 5·C3H8 + 6.5·C4H10 + 8·C5H12) = 0.0476·(2·26,29 + 3.5·0,39 + 5·0,00 + 6.5·0,00 + 8·0,00) = 2,57 нм3/нм3

Действительное количество атмосферного воздуха:

L0' = 1.016·L0 = 1.016·2,57 = 2,61 нм3/нм3

Действительное количество сухого воздуха:

La = a·L0 = 1,2·2,57 = 3,08 нм3/нм3

Действительное количество атмосферного воздуха:

La' = a·L0' = 1,2·2,61 = 3,13 нм3/нм3

Состав дымовых газов:

V(CO2) = 0.01·(CO2 + CH4 + 2·C2H6 + 3·C3H-8 + 4·C4H10 + 5·C5H12) = 0.01·(11,64 + 26,29 + 2·0,39 + 3·0,00 + 4·0,00 + 5·0,00) = 0,39 нм3/нм3

V(H2O) = 0.01·(2·CH4 + 3·C2H6 + 4·C3H-8 + 5·C4H10 + 6·C5H12 + H2O + 0.16·d·La) = 0.01·(2·26,29 + 3·0,39 + 4·0,00 + 5·0,00 + 6·0,00 + 3 + 0.16·10·3,08) = 0,62 нм3/нм3

V(N2) = 0.79·La + 0.01·N2 = 0.79·3,08 + 0.01·56,26 = 3,00 нм3/нм3

V(O2) = 0.21·(a - 1)·L0 = 0.21·(1,2 - 1)·2,57 = 0,11 нм3/нм3

Va = V(CO2) + V(H2O) + V(N2) + V(O2) = 0,39 + 0,62 + 3,00 + 0,11 = 4,11 нм3/нм3

Процентное соотношение продуктов горения:

%CO2 = 9,42%

%H2O = 15,01%

%N2 = 72,94%

%O2 = 2,62%

Материальный баланс:

V = 100 м3

Состав природного газа:

V(CH4) = %CH4·V = 26,29%·100 = 26,29 м3

V(C2H6) = %C2H6·V = 0,39%·100 = 0,39 м3

V(C3H8) = %C3H8·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(C4H10) = %C4H10·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(C5H12) = %C5H12·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(CO2) = %CO2·V = 11,64%·100 = 11,64 м3

V(N2) = %N2·V = 56,26%·100 = 56,26 м3

V(H2) = %H2·V = 2,42%·100 = 2,42 м3

V(H2O) = %H2O·V = 3%·100 = 3 м3

V(O2) = L0 / (1 + k) = 2,57 / (1 + 3.76) = 0,5393 м3

Состав продуктов горения:

V(CO2) = %CO2·V = 9,42%·100 = 9,42 м3

V(H2O) = %H2O·V = 15,01%·100 = 15,01 м3

V(N2) = %N2·V = 72,94%·100 = 72,94 м3

V(O2) = %O2·V = 2,62%·100 = 2,62 м3

Материальный баланс.

Природный газ:

CH4 = V(CH4)·r(CH4) = 26,29·0.717 = 18,85 кг

C2H6 = V(C2H6)·r(C2H6) = 0,39·1.356 = 0,53 кг

C3H8 = V(C3H8)·r(C3H8) = 0,00·2.020 = 0,00 кг

C4H10 = V(C4H10)·r(C4H10) = 0,00·2.84 = 0,00 кг

C5H12 = V(C5H12)·r(C5H12) = 0,00·3.218 = 0,00 кг

CO2 = V(CO2)·r(CO2) = 11,64·1.977 = 23,01 кг

N2 = V(N2)·r(N2) = 56,26·1.251 = 70,38 кг

H2 = V(H2) ·r(H2) = 2,42·0.08988 = 0,22 кг

H2O = V(H2O) ·r(H2O) = 3·0.804 = 2,41 кг

Воздух:

O2 = 100·V(O2)·a·r(O2) = 100·0,5393·1,2·1.429 = 92,48 кг

N2 = 100·V(O2)·a·k·r(N2) = 100·0,5393·1,2·3.76·1.251 = 304,42 кг

H2O = 0.16·d·La·r(H2O) = 0.16·10·3,08·0.804 = 3,96 кг

Итого: 516,26 кг

Продукты горения:

CO2 = V(CO2)·V·r(CO2) = 0,39·100·1.977 = 76,52 кг

H2O = V(H2O)·V·r(H2O) = 0,62·100·0.804 = 49,58 кг

N2 = V(N2)·V·r(N2) = 3,00·100·1.251 = 374,83 кг

O2 = V(O2)·V·r(O2) = 0,11·100·1.429 = 15,41 кг

Итого: 516,34 кг

Неувязка: |516,26 - 516,34|·100% / 516,34 = 0,0144 %

2. Расчет горения коксового газа

Расчёт горения топлива.

Исходный состав газа:

CH4 = 27,90

C2H4 = 3,00

C3H8 = 0,00

C4H10 = 0,00

C5H12 = 0,00

CO2 = 3,10

N2 = 14,00

H2 = 52,00

Влажность W = 2

Состав влажного газа:

CH4 = 27,34

C2H6 = 2,94

C3H8 = 0,00

C4H10 = 0,00

C5H12 = 0,00

CO2 = 3,04

N2 = 13,72

H2 = 50,96

H2O = 2

Влагосодержание d = 10

Коэффициент избытка воздуха a = 1,2

Теплота сгорания топлива:

QРн = 358.2·CH4 + 637.5·C2H6 + 912.5·C3H8 + 1186.5·C4H10 + 1460.8·C5H12 = 358.2·27,34 + 637.5·2,94 + 912.5·0,00 + 1186.5·0,00 + 1460.8·0,00 = 11668,15 кДж/нм3

Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

L0 = 0.0476·(2·CH4 + 3.5·C2H6 + 5·C3H8 + 6.5·C4H10 + 8·C5H12) = 0.0476·(2·27,34 + 3.5·2,94 + 5·0,00 + 6.5·0,00 + 8·0,00) = 3,09 нм3/нм3

Действительное количество атмосферного воздуха:

L0' = 1.016·L0 = 1.016·3,09 = 3,14 нм3/нм3

Действительное количество сухого воздуха:

La = a·L0 = 1,2·3,09 = 3,71 нм3/нм3

Действительное количество атмосферного воздуха:

La' = a·L0' = 1,2·3,14 = 3,77 нм3/нм3

Состав дымовых газов:

V(CO2) = 0.01·(CO2 + CH4 + 2·C2H6 + 3·C3H-8 + 4·C4H10 + 5·C5H12) = 0.01·(3,04 + 27,34 + 2·2,94 + 3·0,00 + 4·0,00 + 5·0,00) = 0,36 нм3/нм3

V(H2O) = 0.01·(2·CH4 + 3·C2H6 + 4·C3H-8 + 5·C4H10 + 6·C5H12 + H2O + 0.16·d·La) = 0.01·(2·27,34 + 3·2,94 + 4·0,00 + 5·0,00 + 6·0,00 + 2 + 0.16·10·3,71) = 0,71 нм3/нм3

V(N2) = 0.79·La + 0.01·N2 = 0.79·3,71 + 0.01·13,72 = 3,07 нм3/нм3

V(O2) = 0.21·(a - 1)·L0 = 0.21·(1,2 - 1)·3,09 = 0,13 нм3/нм3

Va = V(CO2) + V(H2O) + V(N2) + V(O2) = 0,36 + 0,71 + 3,07 + 0,13 = 4,28 нм3/нм3

Процентное соотношение продуктов горения:

%CO2 = 8,48%

%H2O = 16,71%

%N2 = 71,77%

%O2 = 3,04%

Материальный баланс:

V = 100 м3

Состав природного газа:

V(CH4) = %CH4·V = 27,34%·100 = 27,34 м3

V(C2H6) = %C2H6·V = 2,94%·100 = 2,94 м3

V(C3H8) = %C3H8·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(C4H10) = %C4H10·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(C5H12) = %C5H12·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(CO2) = %CO2·V = 3,04%·100 = 3,04 м3

V(N2) = %N2·V = 13,72%·100 = 13,72 м3

V(H2) = %H2·V = 50,96%·100 = 50,96 м3

V(H2O) = %H2O·V = 2%·100 = 2 м3

V(O2) = L0 / (1 + k) = 3,09 / (1 + 3.76) = 0,6497 м3

Состав продуктов горения:

V(CO2) = %CO2·V = 8,48%·100 = 8,48 м3

V(H2O) = %H2O·V = 16,71%·100 = 16,71 м3

V(N2) = %N2·V = 71,77%·100 = 71,77 м3

V(O2) = %O2·V = 3,04%·100 = 3,04 м3

Материальный баланс.

Природный газ:

CH4 = V(CH4)·r(CH4) = 27,34·0.717 = 19,60 кг

C2H6 = V(C2H6)·r(C2H6) = 2,94·1.356 = 3,99 кг

C3H8 = V(C3H8)·r(C3H8) = 0,00·2.020 = 0,00 кг

C4H10 = V(C4H10)·r(C4H10) = 0,00·2.84 = 0,00 кг

C5H12 = V(C5H12)·r(C5H12) = 0,00·3.218 = 0,00 кг

CO2 = V(CO2)·r(CO2) = 3,04·1.977 = 6,01 кг

N2 = V(N2)·r(N2) = 13,72·1.251 = 17,16 кг

H2 = V(H2) ·r(H2) = 50,96·0.08988 = 4,58 кг

H2O = V(H2O) ·r(H2O) = 2·0.804 = 1,61 кг

Воздух:

O2 = 100·V(O2)·a·r(O2) = 100·0,6497·1,2·1.429 = 111,42 кг

N2 = 100·V(O2)·a·k·r(N2) = 100·0,6497·1,2·3.76·1.251 = 366,75 кг

H2O = 0.16·d·La·r(H2O) = 0.16·10·3,71·0.804 = 4,77 кг

Итого: 535,89 кг

Продукты горения:

CO2 = V(CO2)·V·r(CO2) = 0,36·100·1.977 = 71,69 кг

H2O = V(H2O)·V·r(H2O) = 0,71·100·0.804 = 57,44 кг

N2 = V(N2)·V·r(N2) = 3,07·100·1.251 = 383,95 кг

O2 = V(O2)·V·r(O2) = 0,13·100·1.429 = 18,56 кг

Итого: 531,64 кг

Неувязка: |535,89 - 531,64|·100% / 535,89 = 0,7931 %

газ доменный коксовый горение

3. Расчет горения природного газа

Расчёт горения топлива.

Исходный состав газа:

CH4 = 96

C2H4 = 0,09

C3H8 = 0,01

C4H10 = 0

C5H12 = 0,01

CO2 = 0,49

N2 = 3,4

H2 = 0

Влажность W = 2

Состав влажного газа:

CH4 = 94,08

C2H6 = 0,09

C3H8 = 0,01

C4H10 = 0,00

C5H12 = 0,01

CO2 = 0,48

N2 = 3,33

H2 = 0,00

H2O = 2

Влагосодержание d = 10

Коэффициент избытка воздуха a = 1,2

Теплота сгорания топлива:

QРн = 358.2·CH4 + 637.5·C2H6 + 912.5·C3H8 + 1186.5·C4H10 + 1460.8·C5H12 = 358.2·94,08 + 637.5·0,09 + 912.5·0,01 + 1186.5·0,00 + 1460.8·0,01 = 33778,94 кДж/нм3

Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

L0 = 0.0476·(2·CH4 + 3.5·C2H6 + 5·C3H8 + 6.5·C4H10 + 8·C5H12) = 0.0476·(2·94,08 + 3.5·0,09 + 5·0,01 + 6.5·0,00 + 8·0,01) = 8,98 нм3/нм3

Действительное количество атмосферного воздуха:

L0' = 1.016·L0 = 1.016·8,98 = 9,12 нм3/нм3

Действительное количество сухого воздуха:

La = a·L0 = 1,2·8,98 = 10,77 нм3/нм3

Действительное количество атмосферного воздуха:

La' = a·L0' = 1,2·9,12 = 10,94 нм3/нм3

Состав дымовых газов:

V(CO2) = 0.01·(CO2 + CH4 + 2·C2H6 + 3·C3H-8 + 4·C4H10 + 5·C5H12) = 0.01·(0,48 + 94,08 + 2·0,09 + 3·0,01 + 4·0,00 + 5·0,01) = 0,95 нм3/нм3

V(H2O) = 0.01·(2·CH4 + 3·C2H6 + 4·C3H-8 + 5·C4H10 + 6·C5H12 + H2O + 0.16·d·La) = 0.01·(2·94,08 + 3·0,09 + 4·0,01 + 5·0,00 + 6·0,01 + 2 + 0.16·10·10,77) = 2,08 нм3/нм3

V(N2) = 0.79·La + 0.01·N2 = 0.79·10,77 + 0.01·3,33 = 8,54 нм3/нм3

V(O2) = 0.21·(a - 1)·L0 = 0.21·(1,2 - 1)·8,98 = 0,38 нм3/нм3

Va = V(CO2) + V(H2O) + V(N2) + V(O2) = 0,95 + 2,08 + 8,54 + 0,38 = 11,95 нм3/нм3

Процентное соотношение продуктов горения:

%CO2 = 7,94%

%H2O = 17,39%

%N2 = 71,52%

%O2 = 3,16%

Материальный баланс:

V = 100 м3

Состав природного газа:

V(CH4) = %CH4·V = 94,08%·100 = 94,08 м3

V(C2H6) = %C2H6·V = 0,09%·100 = 0,09 м3

V(C3H8) = %C3H8·V = 0,01%·100 = 0,01 м3

V(C4H10) = %C4H10·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(C5H12) = %C5H12·V = 0,01%·100 = 0,01 м3

V(CO2) = %CO2·V = 0,48%·100 = 0,48 м3

V(N2) = %N2·V = 3,33%·100 = 3,33 м3

V(H2) = %H2·V = 0,00%·100 = 0,00 м3

V(H2O) = %H2O·V = 2%·100 = 2 м3

V(O2) = L0 / (1 + k) = 8,98 / (1 + 3.76) = 1,8860 м3

Состав продуктов горения:

V(CO2) = %CO2·V = 7,94%·100 = 7,94 м3

V(H2O) = %H2O·V = 17,39%·100 = 17,39 м3

V(N2) = %N2·V = 71,52%·100 = 71,52 м3

V(O2) = %O2·V = 3,16%·100 = 3,16 м3

Материальный баланс.

Природный газ:

CH4 = V(CH4)·r(CH4) = 94,08·0.717 = 67,46 кг

C2H6 = V(C2H6)·r(C2H6) = 0,09·1.356 = 0,12 кг

C3H8 = V(C3H8)·r(C3H8) = 0,01·2.020 = 0,02 кг

C4H10 = V(C4H10)·r(C4H10) = 0,00·2.84 = 0,00 кг

C5H12 = V(C5H12)·r(C5H12) = 0,01·3.218 = 0,03 кг

CO2 = V(CO2)·r(CO2) = 0,48·1.977 = 0,95 кг

N2 = V(N2)·r(N2) = 3,33·1.251 = 4,17 кг

H2 = V(H2) ·r(H2) = 0,00·0.08988 = 0,00 кг

H2O = V(H2O) ·r(H2O) = 2·0.804 = 1,61 кг

Воздух:

O2 = 100·V(O2)·a·r(O2) = 100·1,8860·1,2·1.429 = 323,40 кг

N2 = 100·V(O2)·a·k·r(N2) = 100·1,8860·1,2·3.76·1.251 = 1064,53 кг

H2O = 0.16·d·La·r(H2O) = 0.16·10·10,77·0.804 = 13,86 кг

Итого: 1476,15 кг

Продукты горения:

CO2 = V(CO2)·V·r(CO2) = 0,95·100·1.977 = 187,45 кг

H2O = V(H2O)·V·r(H2O) = 2,08·100·0.804 = 167,04 кг

N2 = V(N2)·V·r(N2) = 8,54·100·1.251 = 1068,81 кг

O2 = V(O2)·V·r(O2) = 0,38·100·1.429 = 53,88 кг

Итого: 1477,18 кг

Неувязка: |1476,15 - 1477,18|·100% / 1477,18 = 0,0700 %

Размещено на Allbest.ru