Размещено на http://www.allbest.ru/

Термодинамический анализ влияния влажности на горение углерода

Р.Т. Искаков, В.С. Энгельшт

Путем моделирования на IBM PC с использованием программы АСТРА.4/pc исследовано влияние влажности на горение углерода в кислороде и в воздухе при атмосферном давлении. Определены адиабатическая температура горения, полнота сгорания углерода, расход тепла на испарение воды, диссоциацию молекул и нагрев газа.

Сжигание влажного и обводненного топлива весьма часто встречается на практике. Так, например, влажными бывают дрова, уголь, твердые бытовые и промышленные отходы, обводненными являются водоугольные суспензии, мазуто-водные суспензии, жидкие горючие отходы и т.д. В некоторых случаях влага специально вводится в топливо для повышения полноты сгорания за счет снижения температуры горения.

В работе экспериментально и на основе термодинамического анализа показано, что добавка воды к мазуту приводит к снижению температуры горения и уменьшению токсичных выбросов.

В работе проведен термодинамический анализ сжигания угля при различном проценте влажности: 1% (обезвоженный уголь), 19% (естественная влажность), 40% (водоугольная суспензия). Показано, что адиабатическая температура при увеличении влажности в указанном диапазоне уменьшается на 150о и существенно сокращается концентрация токсичных выбросов.

В работе приводится информация об устойчивом горении жидких горючих отходов. Как показывает опыт, жидкие горючие отходы при их сжигании в камерах с небольшими потерями тепла в окружающую среду могут устойчиво гореть при расчетной адиабатической температуре Tад1600К, при этом влажность топлива может достигать 70% и более.

В работе [4] проведен термодинамический анализ влияния влажности на горение водорода в кислороде и в воздухе при атмосферном давлении. Определены адиабатическая температура горения, полнота сгорания водорода, расход тепла на испарение воды, диссоциацию молекул и нагрев газа. Показано, что адиабатическая температура при горении водорода в кислороде и в воздухе уменьшается незначительно при возрастании влажности топлива от 0 до 70%. При влажности 90% адиабатическая температура равняется Тад1500К. Также показано, что коэффициент использования топлива при горении водорода в кислороде равен около 70% для сухого водорода и возрастает с увеличением влажности до 100% при влажности 9095%. А коэффициент использования топлива при горении водорода в воздухе близок к 100% при любой влажности. КПД нагрева газа при горении водорода в кислороде минимален для сухого водорода и равен =56%, он максимален =75% при влажности 90%. При горении водорода в воздухе КПД нагрева газа значительно выше и составляет =96% для сухого водорода и сравнительно медленно уменьшается до =77% при влажности 92%. Относительная мощность нагрева газа при горении влажного водорода в кислороде и в воздухе уменьшается с увеличением влажности от 100% для сухого водорода до 70% при влажности 90%.

В данной работе исследуется горение влажного углерода. При переработке некоторых веществ, например, галогеноуглеводородов образуется сажа как побочный продукт и гарнисаж из нее в аппаратуре, ухудшая ее работу. Периодически сажу необходимо сжигать. Условие сжигания должны быть экологически безопасными, т.е. без образования токсичных выбросов. Наиболее важное применение углерода - это уголь в котлах электростанций. Правда природный уголь содержит в большем или меньшем количестве минеральные компоненты. Однако и без учета этих компонентов подобные исследования представляют интерес. Кроме того, углерод является основным компонентом твердых бытовых и промышленных отходов, и подобные исследования интересны в связи с изучением огневой переработки твердых бытовых и промышленных отходов.

Метод исследования. Термодинамический анализ процесса горения основан на использовании универсального программного комплекса АСТРА.4/pc, в основу алгоритма которого положен принцип максимума энтропии [5]. Формулировка задачи термодинамического моделирования требует назначить два условия равновесия изучаемой системы с окружающей средой. Для описания самой системы, как материального объекта, необходимо знать лишь содержание образующих ее химических элементов и энтальпий образования, входящих в систему веществ.

Для термодинамического анализа горения углерода задавали исходный стехиометрический состав, углерод + кислород или углерод + воздух с различной влажностью углерода, при общем давлении 1 атм, причем количество кислорода до полного окисления углерода (С) в углекислый газ (СО2).

По программе АСТРА.4/рс вычислялась адиабатическая температура сгорания и состав продуктов горения топливной смеси путем задания энтальпии смеси I=0. В качестве примера приведем результаты расчета при горении углерода с влажностью топлива 13,04%.

Исходный состав смеси: 12%С, 32%O2, 1,8%H2O.

Брутто - формула рабочего тела (моль/кг): С = 21,8141; O = 45,8513; Н = 4,36313.

Из расчета получено Тад = 3162 К и состав компонентов, (моль/кг): H2O = 1,0368;

H2=0,1941; O2 = 5,1729; CO2 = 8.9003; CO = 12.914; H = 0.6378; O = 2.4899; OH = 1.2626; H2O2 = 0,000009177; HO2 = 0,00092364; CHO = 0.000016486; CHO2 = 0.00001554.

Итоговую реакцию на основе исходного состава и продуктов горения можно записать в мольных долях: 21,8141C+21,8349O2+2,1814H2O(ж)=1,0368H2O+0,1941H2+5,1729O2+ +8.9003CO2+12.914CO+0.6378H+2.4899O+1.2626OH+0,000009177H2O2+

+0,00092364HO2+0.000016486CHO+0.00001554CHO2.

Как видно из реакции, не весь углерод сгорел до CO2, т.е. наблюдается неполнота использования топлива. Вода испарилась полностью. В результате диссоциации и побочных химических реакций образовались атомарные водород и кислород OH, H2O2, HO2, CHO, CHO2. Зная теплоты образования указанных соединений и теплоту испарения воды, можно вычислить на основе этой реакции реальную теплоту сгорания, затраты на испарение воды и диссоциацию. Приняты следующие теплоты образования при стандартной температуре (Т=298,15К), кДж/моль [6]: H2= 0; O2= 0; H2O(ж)=-286,5; H2O(г)=-241,8; Hисп=+44,9; N2=0; O=+249,13; H=+217,8; NO=+90,3; NO2=+33; N2O=+81,600; OH=+38,9; H2O2=-136,02; HO2=+2,09; CHO=+42; CHO2=-213; CO2=- 393.15; CO=-110.4.

Максимальная теплота сгорания в указанном примере расчета

qг мах = 21,8141(C) 393,15 = 8574,60 кДж.

Реальная теплота сгорания (экзотермические реакции)

qг = 8.9003(CO2) 393,15 + 12,914(CO) 110,4 + 0,000009177(H2O2) 136,02 +

+ 0.00001554(CHO2) 213= 4924,86 кДж.

Теплота испарения qисп = 2,18(H2O(ж)) 44,9 = 97,88 кДж.

Теплота диссоциации (эндотермические реакции)

qдис=2,4899(О)249,13+1,2626(ОН)38,9+0,6378(Н)217,8+0,00092364(HO2) 2,09 +

+ 0.000016486(CHO) 42 = 808,34 кДж.

В целом баланс энергии можно записать как qг = qисп + qдис + qнаг,

qнаг - это количество тепла, ушедшее на нагрев газа от исходной температуры Т=300К до Тад=3162 K. Отсюда, qнаг = qг - qисп - qдис = 4017,69 кДж.

Далее, можно вычислить полноту использования топлива =qг/qгмах = 57,43%.

Представляет интерес КПД использования топлива =qнаг/qгмах=46,86%, а также относительная мощность нагрева газа при использовании топлива =qнаг/qнагmax=94,57%, где qнагmax = 4248,26 кДж - максимальное значение теплоты нагрева газа в исследуемом диапазоне влажности (при W1=60%).

Результаты расчета.

а) Горение влажного углерода в кислороде.

Исходная смесь задавалась в весовых процентах при стехиометрическом соотношении углерода и кислорода: 12%С + 32%O2 + х%H2O(ж).

В табл.1 приведены исходный и конечный состав продуктов горения в молях при адиабатической температуре. W1 - влажность топлива - углерода, W2 - влажность всей смеси, включая кислород.

Табл.1

На основании данных табл.1 проведены расчеты энергетических величин, которые приведены в табл.2. Результаты также представлены на рис.1, 2.

Табл.2

Из табл. 1,2 и рис.1,2 видно следующее:

Адиабатическая температура при горении сухого углерода в кислороде максимальна (Тад=3282 К), и постепенно уменьшается с увеличением влажности топлива до Тад=2670 К при влажности W1=60%. При дальнейшем увеличении влажности адиабатическая температура снижается более резко, и составляет Тад=1455 К, при влажности топлива W1 порядка 85%. Согласно [3], эта температура достаточна для устойчивого горения обводненного топлива.

Рис.1 Компоненты энергетического баланса при горении влажного углерода в кислороде (кДж на кг топливной смеси) и адиабатическая температура Тад К как функции влажности W1. Давление Р=1атм.

горение углерод кислород влажность

Рис.2 Процентные доли энергетического баланса при горении влажного углерода в кислороде как функции влажности W1. Давление Р=1атм.

Концентрации продуктов диссоциации (О, Н, ОН, СНО, HO2) и побочных химических реакций (H2O2, CHO2) немонотонно изменяется с увеличением влажности. Концентрация всех указанных веществ за исключением атомарного кислорода имеет максимальное значение в диапазоне W1=3060%. Концентрации компонентов H2O2, HO2, СНО, CHO2 ничтожно малы во всем диапазоне влажности топлива. Концентрация остальных компонентов (Н, О, ОН) быстро убывает с увеличением влажности более 60%. Концентрация атомарного кислорода (О) максимальна при нулевой влажности топлива и убывает с увеличением влажности. Именно этот компонент (О) обусловливает основные затраты на диссоциацию, которые также максимальны при W1=0% и составляют 20%.

Полнота сгорания углерода также зависит от температуры, она минимальна для сухого топлива и увеличивается с возрастанием влажности. В связи с этим коэффициент использования топлива =qг/qгмах, равный отношению реальной теплоты сгорания qг, к максимальной qгмах при полном сгорании углерода (теплотворная способность топлива), оказывается наименьшим для сухого углерода и возрастает с увеличением влажности. Он изменяется от 50% для сухого углерода до 100% при максимальной влажности.

Доля тепла, затрачиваемая на испарение воды, как и следовало ожидать, возрастает с увеличением влажности топлива и достигает qисп/qг = 42% при W1 = 85%.

Доля количества тепла, выделившееся при реакции горения и пошедшее на нагрев газа qнаг/qг , вначале медленно увеличивается от 80% при нулевой влажности до 83% при влажности 24%, далее начинает медленно уменьшатся с увеличением влажности и составляет примерно 58% при максимальной влажности W1=85%.

КПД нагрева газа =qнаг/qгмах зависит от тепловых потерь на диссоциацию молекул и испарение воды, а также полноты сгорания углерода. КПД возрастает от 41,7% до 72,3% при изменении влажности топлива - углерода от 0 до 75% за счет увеличения полноты сгорания углерода qг/qгмах от 52% при нулевой влажности до 95% при влажности 75%, а также за счет уменьшения затрат на диссоциацию qдис/qг от 20% при нулевой влажности до 0,5% при влажности 75%. Далее КПД нагрева газа уменьшается до 58% при влажности 85% из-за затрат энергии на испарение воды. Таким образом, для данной топливной смеси, с точки зрения максимального КПД нагрева газа, оптимальной является влажность топлива 75%, что соответствует влажности топливной смеси, включая кислород, 45%.

Относительная мощность нагрева газа = qнаг/qнагmax, где qнагmax - максимальное значение теплоты нагрева при влажности равной 60%, сначала увеличивается от 88% при нулевой влажности до 100% при влажности 60%, далее начинает уменьшается с увеличением влажности. При влажности W1=75%, оптимальной для КПД (72%), относительная мощность составляет 83,5%.

b) Горение влажного углерода в воздухе.

Исходная смесь задавалась в весовых процентах при стехиометрическом соотношении углерода и воздуха: 12%С + 32%O2 + 104,6%N2 + x%H2O(ж).

В табл.3 приведены исходный и конечный состав продуктов горения в молях при адиабатической температуре. W1 - влажность топлива - углерода, W2 - влажность всей смеси, включая воздух.

На основании данных табл.3 проведены расчеты энергетических величин, которые приведены в табл.4. Результаты также представлены на рис.3, 4.

Из табл. 3,4 и рис.3,4 видно следующее:

Адиабатическая температура при горении сухого углерода в кислороде максимальна (Тад=2130 К), и постепенно уменьшается с увеличением влажности топлива до Тад=1730 К при W1=60%. При дальнейшем увеличении влажности адиабатическая температура снижается более резко, и составляет Тад=1500 К, при влажности топлива W1 порядка 70%. Согласно [3], эта температура достаточна для устойчивого горения обводненного топлива.

Концентрации продуктов диссоциации (О, Н, ОН, HO2) имеют максимальное значение при горении углерода с влажностью W1=1330%, но ничтожно малы по сравнению с горением углерода в кислороде и не превышают 0,25%. Концентрация токсичных компонентов NO, NO2, N2O убывает с увеличением влажности топлива. Для сухого углерода в воздухе концентрация NO0,05 моль/кг превышает уровень ПДК, она становится ниже уровня ПДК при влажности около 50%.

Полнота сгорания углерода =qг/qгмах достигает 96100%.

Доля тепла, затрачиваемая на испарение воды, как и следовало ожидать, возрастает с увеличением влажности топлива и достигает qисп/qг = 23% при W1 = 75%.

Доля количества тепла, выделившаяся при реакции горения и пошедшее на нагрев газа qнаг/qг медленно уменьшается от 100% до 77% при изменении влажности W1 от 0 до 75%.

КПД нагрева газа =qнаг/qгмах постепенно уменьшается от 96% до 77%, при изменении влажности топлива - углерода от 0 до 75%.

Относительная мощность нагрева газа =qнаг/qнагmax также уменьшается постепенно от 100% при нулевой влажности, до 66% при влажности топлива W1=75%

Табл.3

Табл.4

Рис.3 Компоненты энергетического баланса при горении влажного углерода в воздухе (кДж на кг топливной смеси) и адиабатическая температура Тад К как функции влажности W1. Давление Р=1атм.

Рис.4 Процентные доли энергетического баланса при горении влажного углерода в воздухе как функции влажности W1. Давление Р=1атм.

Выводы

Термодинамический анализ горения влажного углерода выявил следующие особенности:

1. Адиабатическая температура при горении углерода в кислороде уменьшается постепенно при возрастании влажности топлива от 0 до 60% (Тад=32822673К). При влажности 85% она равна Тад=1455К. Адиабатическая температура при горении углерода в воздухе также уменьшается незначительно при возрастании влажности топлива от 0 до 60% (Тад=21301728К). При влажности равной 75% она равно Тад=1402К.

2. Коэффициент использования топлива при горении углерода в кислороде равен около 50% для сухого углерода и возрастает с увеличением влажности до 100% при влажности 8085%. Коэффициент использования топлива при горении углерода в воздухе близок к 100% при любой влажности.

3. КПД нагрева газа при горении углерода в кислороде минимален для сухого углерода и равен =42%, он максимален =72% при влажности 75%. При горении углерода в воздухе КПД нагрева газа значительно выше и составляет =96% для сухого топлива и сравнительно медленно уменьшается до =77% при влажности 75%.

4. Относительная мощность нагрева газа при горении влажного углерода в кислороде сначала возрастает от 88% при нулевой влажности до 100% при влажности топлива 60%, затем постепенно уменьшается до 49% при максимальной влажности 85%. При горении углерода в воздухе относительная мощность уменьшается с увеличением влажности от 100% для сухого углерода до 66% при влажности 75%.

5. Концентрация токсичных примесей NO и СО при горении углерода быстро снижается с увеличением влажности топлива.

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.

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

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

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

Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах. (ASTRA. 4/PC) Версия 1:09, Октябрь 1993, Описание применения. Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана, Кафедра "Программное обеспечение ЭВМ и информационная технология", Центр Программных Систем МГТУ им.Н.Э.Баумана. Москва, 1993. 43 с.

Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т./Л.В.Гурвич, И.В.Вейц, В.А.Медведев и др. - М.:Наука, 1982.

Размещено на Allbest.ur