Primer_Raschet_gorenia_topliva_shikhtyx

1 Расчет горения топлива
Расчет горения топлива нужен для того, чтобы правильно выбрать
дутьевые и тяговые устройства к печи, обеспечивающие нормальный
процесс горения, движения дымовых газов и необходимый температурный
режим в рабочем пространстве печи. Этот расчет проводится с целью
определения расхода воздуха, необходимого для горения, количества
образующихся продуктов горения, их состава и температуры горения. В
качестве топлива используется природный газ Березанского месторождения,
состав которого берётся из справочника [1] с. 203. Исходный состав
природного газа приведен в таблице 1.
Таблица 1
Состав сухого газа, об. %
CH4 C2H6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 СО2 N2
87,2 3,6
0,7
0,1
1,0
3,4
4,0
Сумма компонентов природного газа составляет 100%.
Газ сжигают с коэффициентом избытка воздуха α =1,2. Принимаем
содержание влаги в газе 1%.
Пересчет состава газообразного топлива с сухого на рабочую массу
производится по следующим формулам:
CH 4 =CH p4 
100-W p
,
100
(1)
где CH4 и CH p4 – содержание метана в сухом и
соответственно, %;
W p – содержание влаги в рабочем топливе, %.
ÑH 4 =87,2 
рабочем
газе
100-1
=86,328 %;
100
Аналогично пересчитываем остальные
Результаты расчетов сводим в таблицу 2.
составляющие
топлива.
Таблица 2
Рабочий состав воздуха, об.%
CH4
C2H6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 СО2 N2
H2O
86,328 3,564 0,693 0,099 0,99
3,366 3,96 1,0
Теплота сгорания газообразного топлива определяется как сумма
произведений тепловых эффектов составляющих газа на их количество,
выраженное в объемных процентах. Определим теплоту сгорания для
природного газа по формуле:
Q нр  356,2  CH 4  637,5  C 2 H 6  912,5  C 3 H 8  1120,5  C 4 H10  1460  C 5 H12 , (2)
где Q нр – теплота сгорания 1 м3 газообразного топлива, кДж/м3.
Qíð  356,2  86,328  637,5  3,564  912,5  0,693  1120,5  0,099  1460  0,99  35210,78 êÄæ
Далее ведется расчет расхода воздуха, необходимого для горения.
ì
3
В расчетах принимают следующий состав воздуха по объему, %: азот
 79 и кислород  21. Количество влаги, вносимое атмосферным воздухом,
значительно увеличивает расход воздуха. При расчетах тепловых агрегатов
влагосодержание атмосферного воздуха принимают 8–12,5 г/кг [1].
Теоретически необходимый для горения расход сухого воздуха определяется
по следующей формуле:
L 0  0,0476  (2  CH 4  3,5  C 2 H 6  5  C 3 H 8  6,5  C 4 H10  8  C 5 H12 ) , (3)
где L0 – теоретически необходимое количество сухого воздуха для горения 1
м3 газообразного топлива, м3/м3.
3
L0  0,0476  (2  86,328  3,5  3,564  5  0,693  6,5  0,099  8  0,99)  9,385 ì 3 .
ì
Определяем расход атмосферного воздуха при влагосодержание 10
г/кг сухого воздуха (принимаем самостоятельно):
L'0  (1  0,0016  d)  L 0 ,
(4)
где L0′ – теоретическое количество атмосферного воздуха необходимое для
сжигания 1м3 газообразного топлива, м3/м3.
3
L'0  (1  0,0016 10)  9,385  9,535 ì
3 .
ì
Для практически полного сгорания топлива требуется подвод воздуха
в количестве, превышающем теоретически необходимое, так как трудно
достичь идеального смешения воздуха с топливом.
Действительный расход сухого воздуха с учетом коэффициента
расхода воздуха:
(5)
Lα=αL
 0,
где Lα – действительное количество сухого воздуха необходимого для
сжигания 1м3 газообразного топлива, м3/м3; α – коэффициент избытка
воздуха (принимаем α=1,2).
3
L  1,2  9,385  11,262 ì 3 .
ì
Действительный расход влажного воздуха рассчитываем по формуле:
L'    L'0 ,
(6)
Действительный расход влажного воздуха составит:
3
L'  1,2  9,535  11,442 ì
3.
ì
Общий объём дымовых газов V ,образующийся при сжигании
топлива при коэффициенте избытка воздуха
α=1,2, определяется
3 3
следующим образом, м /м :

V   VCO
 VN  VH O  VO .
(7)
Объёмы составляющих продуктов горения природного газа
определяются по формулам , м3/м3:
VCO  0,01  (CO2  CH 4  2  C 2 H 6  3  C3 H8  4  C 4 H10  5  C5 H12 ),
(8)
VH 0  0,01  (2  CH 4  3  C 2 H 6  4  C3 H8  5  C 4 H10  6  C5 H12  H 2 O  0,16  d  L 0 ), (9)
VO  0,21  (  1)  L 0 ,
(10)

VN  0,79  L   0,01  N 2 ,
(11)

2
2
2
2
2
2
2
2

где VCO
, VH O , VO , VN – состав продуктов горения (углекислого газа, воды,
кислорода, азота, (соответственно) при сгорании 1 м3 газообразного
топлива, м3/м3.
3

VCO
 0,01 (3,366  86,328  2  3,564  3  0,693  4  0,099  5  0,99)  1,042 ì 3 ;
2
2
2
2
ì
 0,01 (2  86,328  3  3,564  4  0,693  5  0,099  6  0,99  1  0,16 10 11,262)  2,116 ì
2

VH2O
VO2  0,21 (1,2 1)  9,385  0,394 ì
3
ì3
3
VN2  0,79 11,262  0,01 3,96  8,937 ì
;
ì
3
.
Общий объём дымовых газов при коэффициенте избытка воздуха
α=1,2 находим, сложив объемы составляющих, м3/м3:
3
V  1,078  2,116  8,937  0,394  12,525 ì 3 .
ì
Процентный состав продуктов горения определяется следующим
образом, %:
CO 2 

VCO
2
 100 . (12)
V
1,078
CO2 =
100%=8,607% ;
12,525
2,116
H 2O=
100%=16,894% ;
12,525
8,937
N2 
100%  71,353% ;
12,525
0,394
O2 
100%  3,146% .
12,525
Составляем материальный баланс процесса горения на 100 м3 топлива.
Расчет материального баланса представлен в таблице 3.
Таблица 3
Материальный баланс процесса горения топлива
Приход
кг
%
Расход
1.Природный газ, в 86,328
т.ч.
61,638
СH 4  CH p4  CH
100
1.Продукты
горения, в т.ч.
71,39

CO 2  100  VCO
2
C 2 H 6  C 2 H 6p  C2H6
4,772
5,5
H 2 O  100  VH2O   H2O170,126
10,894
C3 H8  C3 H8p  С3H8
1,361
1,577
N 2  100  VN2   N2
72,382
p
C 4 H10  C 4 H10
 C4H10
0,256
0,296
O 2  100  VO2  O2
p
C5 H12  C5 H12
 C5H12
3,128
3,623
H 2 O  H 2 O P   H 2O
0,804
0,982
CO 2  CO p2   CO 2
6,611
7,658
4
кг
1548,29
5
 CO 204,741
%
100
13,061
2
1117,12
5
56,303
3,662
3
ì
3
;
N 2  N p2   N2
2.Воздух, в т.ч.
4,95
O 2  0,21  L    O 2
5,73
1464,57
1
 100 337,961
100
23,072
N 2  0,79  L    N 2  100 1112,12
3
75,944
H 2 O  0,16  d  L    H 2O 14,487
0,984
Итого
100
1548,14
5
Невязка баланса составляет:
Итого
1548,29
5
100
1548, 295  1548,145
100%  0,0097% .
1548, 295
Определим теоретическую и действительную температуры горения топлива.
Для этого находится общая энтальпия природного газа H î áù , кДж/м3:
Hî áù = Qí + cðmã  t ã + La  cðmâ  t â êÄæ
ì
3
,
(13)
где Q нp − теплота сгорания топлива, кДж/м3; cðmã , cðmâ – объемные изобарные
теплоемкости соответственно газа и воздуха при температурах t ã , t â . Lα −
действительное количество атмосферного воздуха, м3/м3;
Принимаем температуру подогрева воздуха t B =1200°С. Природный газ
используется при температуре окружающей среды ,следует его физическая
теплота в виду малости может не учитываться, то формула (2.13) примет вид:
Hî áù =Qí +Lα cрmвêÄæ
ì
3
,
Далее вычисляем среднюю изобарную теплоемкость сухого воздуха при
температуре t â по формуле [1] стр.312
êÄæ
, (14)
ì 3 Ê
êÄæ
c ðmâ =1,2870+0,00012091  1200  273  1, 465 3 ,
ì Ê
Hî áù =35210,7756+11,442 1,465 1200=55327,18 êÄæ 3 ,
ì
H
h î áù = î áù êÄæ  Ê,
Vα
55327,1846
h î áù =
=4417,43 êÄæ  Ê.
12,525
c ðmâ =1,2870+0,00012091 t â ,
Действительная температура определяется по h-t диаграмме, которая
приведена в справочнике [1] на рисунке 1.2.Для найденного значения h î áù
определяем теоретическую температуру горения топлива, а затем умножив ее
на пирометрический коэффициент η=0,75,получаем действительную
температуру t ä =18000Ñ
2 Технологический расчет состава шихты из технических материалов
для состава стекла
Стекло: тарное бесцветное.
Состав стекла, мас.% (здесь и далее по тексту):
SiO2
71,9
Al2O3
3,0
CaO
9,3
MgO
0,2
Na2O
15,5
Fe 2O3
0,15
Σ=
100%
Химический состав сырьевых материалов приведен в таблице 4.
Часть оксида натрия (в количестве 5% от общего его содержания ) вводится
сульфатом натрия, который выступает в качестве осветлителя в сочетании с
восстановителем – углем, содержание которого составляет 5% от массы
Na2SO4.
Таблица 4
Химический состав сырьевых материалов
Сырьевые
материалы
Содержание компонентов, %
Содержание
сырья, мас.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O
ч.
Доломит «Руба»
х2
3,5
1,6
0,18
29,5 20,5
–
44,7
2
х4
1,2
0,6
0,1
54,3 0,6
–
43,0
х1
99,0
0,1
0,06
0,5
–
–
0,34
х5
x6
60,8
–
22,4
–
0,25
–
–
–
–
–
15,1
43,4
1,45
56,6
х3
–
–
–
–
–
58
42,0
Мел
(Волковысск)
Песок
кварцевый
Гомельского
ГОКа
Полевой шпат
Сульфат натрия
Сода
кальцинированн
ая
Coставим систему уравнений:
0,99∙x1 + 0,0035∙x2 + 0,0124∙x4 + 0,608∙x5 =71,9
0,001∙x1 + 0,016∙x2 + 0,006∙x4 + 0,224∙x5 =3,0
0,005∙x1 + 0,295∙x2 + 0,543∙x 4= 9,3
0,295∙x2 + 0,006∙x4 =0,2
0,58∙x3 + 0,151∙x5 = 14,725
0,065∙x4 + 0,66∙x5 = 2
0,434∙x6 =0,775
ППП
Решив эту систему уравнений, получим: x 1=64,65; x2 =0,4997; x3 =22,099; x4
=16,26026; x5 =12,63299; x6 =1,785.
Расчетный состав шихты в мас.ч.:
Песок кварцевый Гомельского ГОКа
64,65
Полевой шпат
12,6329
Доломит «Руба»
0,4997
Мел (Волковысск)
1626026,
Сода кальцинированная
22,099
Сульфат натрия
1,785
Определим расчетный состав стекла, исходя из рецепта шихты и состава
сырьевых материалов.
Результаты расчета представлены в таблице 5
Таблица 5
Составы шихты и стекла по результатам расчета
Содержание оксидов, %
Состав шихты
Сырьевые
материалы
Доломит
«Руба»
Мел
(Волковысск)
Песок
кварцевый
Гомельского
ГОКа
Обозначен
ие
Содержан
ие
с
учетом
SiO2
уноса,
мас. ч.
х2
0,4997
х4
16,26
х1
Al2O3
CaO
MgO
Na2O
Fe2O3
0,147
4
8,829
0,1951 0,0976
3
0,1024 –
0,0009
0,0975
–
6
0,0162
6
64,653
64,006 0,0646 0,323
5
5
3
–
–
0,0387
9
х5
12,633
7,681
2,8298 –
–
1,907
6
0,0032
х6
1,785,
–
–
–
–
0,775
–
х3
22,099
–
–
–
–
12,81
7
–
Расчетный состав
71,90
3,0
9,3
0,2
Заданный состав
71,90
3,0
9,3
0,2
Отклонение от заданного состава
0
0
0
0
Полевой шпат
Сульфат
натрия
Сода
кальцинирован
ная
Масса шихты
0,0175 0,0079
118,41
15,49
9
15,5
0,001
0,0875
0,15
-0,006
Учтем потери на улетучивание
Сода кальцинированная(унос 2%), х3=22,099∙1,02=22,5 %
Сульфат натрия (унос 2%), х6=1,785∙1,02=1,82 %
Рассчитаем количество восстановителя (угля), вводимого в количестве 5% от
содержания сульфата натрия в шихте:
С=(1,875∙5)/100=0,09375 мас.ч.
Определяем угар шихты из того, что из 117,9 мас. ч. шихты получаем 100
мас. ч. стекла. Соответственно из 100 мас. ч. шихты получим стекла:
100 / 117,9∙100 = 84,815 мас. ч.
Потери при стекловарении составят:
100 – 84,815 = 15,185 мас. ч.
3 Расчёт расхода тепла на процесс стеклообразования
При расчете затрат тепла на стеклообразование учитывают процессы,
протекающие с поглощением или с выделением тепла. Расход тепла на варку
стекла складывается из следующих статей: тепло, поглощающееся при
разложении солей; при протекании процессов плавления образующих стекло
соединений; при нагреве газов разложения до температуры продуктов
сгорания, покидающих рабочую камеру печи; при плавлении стекла. С
выделением тепла протекают процессы образования силикатов.
Исходные данные к расчету:
– химический состав стекла (содержание СаО, Na2О и т. д.), %;
– состав шихты (содержание СаСО3, Nа2СО3 и т. д.), рассчитанный на 100
мас. ч. стекла, кг/100 кг стекла;
– количество сухой шихты, расходуемой на варку 100 кг стекломассы только
из шихты, Gш, кг;
– содержание в смеси, %:
шихты – Ш,
боя – Б;
– влажность шихты – Wш., %.
3.1 Материальный баланс процесса стекловарения
1.Определяем расходный коэффициент шихты по формуле (1.40) из [1]:
Kш 
Gш
,
100
(15)
где G ш – расход сухой шихты на 100 кг стекломассы, G ш =118,41 мас.ч.
Kø 
118, 41
 1,184
100
2. Количество сухой шихты, расходуемой на варку 100 кг стекломассы из
смеси шихты и боя определяется по формуле (1.41) из [1]:
G ш.б 
100  Ш K ш
,
Ш  Б  Kш
(16)
где Ш и Б – количество шихты и боя в смеси, %.
В производстве стеклоизделий соотношение бой/шихта регламентируется и
может изменяться от 15/85 до 80/20. Как правило, это соотношение
устанавливается в зависимости от количества отходов реального
производственного процесса. Примем для производства сортового стекла это
соотношение 20/80.
G ø .á =
100  80 1,184
êã
.
=91,36
80+20 1,184
100êã.ñò.
3. Количество стекломассы, получаемой из сухой шихты G ш.б рассчитывается
по формуле (1.42) из [1]:
G ñò
ø .á =
100  Ø
G
= ø .á .
Ø +Á K ø K ø
G ñò
ø .á 
(17)
91,36
 77,162 кг
1,184
4. Определяем количество стеклобоя, расходуемого на варку 100 кг
стекломассы из смеси шихты и боя по формуле (1.43) из [1]:
Gб 
100  Б  K Ш
 100  G ст
(18)
ш .б .
Ш  БKШ
G á  100  77,162  22,838
кг
100кг .ст.
5. Влажность шихты принимаем равной 5 мас.%. Определяем количество
влаги в смеси шихты и боя на 100 кг стекломассы по формуле (1.45) из [1]:
B H 2O 
G ш.б  Wш
,
100  Wш
(19)
где Wш – влажность шихты.
B H 2O 
91,36  5
кг
 4,808
100  5
100кг .ст.
6. Результаты расчёта материального баланса процесса стеклования заносим
в таблицу 6.
Таблица 6
Материальный баланс процесса стекловарения
Приход, кг / 100 кг стекломассы
Кол-во сухой шихты
91,36
Кол-во стеклобоя
22,838
Кол-во влаги в смеси
4,808
%
77,26
19,19
3,55
Итого:
100,0
119,006
Расход, кг/100 кг стекломассы
Кол-во стекломассы
77,162
Угар
14,2028
Влага
4,808
Кол-во стеклобоя
22,838
Итого:
119,006
%
64,84
11,93
4,04
19,19
100,0
Угар шихты находим из соотношения:
У= 91,36 – 77,162 =14,2028 кг / 100кг ст.
3.2 Тепловой баланс процесса стекловарения
А. Приход
1. Тепло, вносимое влажной шихтой и боем, кДж/100 кг стекломассы по
формуле (1.46) из [1]:
Qï =t ø  (Gø á  Ñø +Gá  Ñá +BH O  CH O ),
(20)
где t ш − температура шихты, поступающей на варку стекла, °С, tш = 20 –
30°С; Сш , С б , C H O − средние теплоемкости соответственно шихты,
стеклянного боя и воды, кДж/(кг∙К).
2
2
2
Средняя теплоемкость шихты может быть принята равной 0,963
кДж/(кг∙К).
Средняя теплоемкость стекла (стеклобоя) при температуре 0-20°С
рассчитывается по данным состава стекла и теплоемкостей оксидов,
образующих стекло, кДж/(кг · К). Формула (1.47) из [1]:
p C
Cá =  i i ,
100
(21)
где p i − содержание оксидов в стекле, мас. %; C i − расчетные коэффициенты,
соответствующие отдельным оксидам. Значения C i приведены в таблице 7.
Таблица 7
Коэффициент для расчета средней теплоёмкости стёкол
Оксид
CaO
SiO2
Al2O3
Сi
0,628
0,712
0,816
Оксид
Na2O
K2O
MgO
Сi
1,068
1,068
1,026
71,9  0,712  3,0  0,816  0,15  0,670  9,3  0,628  0, 2 1,026  15,5 1,068
 0,763 êÄæ
êã  Ê
100
C H 2O  4,19 êÄæ
êã  Ê
ï
Q  20  (91,36  0,963  22,838  0,763  4,808  4,19)  2511,012 кДж .
Cá 
Б. Расход
1. Тепло нагрева стекломассы, кДж/100 кг стекломассы, по формуле (1.51) из
[1]:
q м  С ст  t ст 100,
(22)
где Сст − средняя теплоемкость стекломассы между 0°С и tст, кДж/(кг · К),
рассчитывается по приведенной ниже формуле; tст− температура нагрева
стекломассы, °С.
Принимаем tст = 1500°С (для тарного стекла).
Ññò =0,672+0,00046  t ñò,
(23)
Ññò  0,672  0,00046 1500  1,362 êÄæ
qì  1,362 1500 100  204300 êÄæ
êã  Ê
100êã.ñò.
2. Тепловой эффект реакции стеклообразования, кДж/100 кг стекломассы, по
формуле (1.52) из [1]:
qс
М

к
 q к G ст
шб
100
,
(24)
где Мк − количество отдельных компонентов шихты, кг / 100 кг ст; qк −
расход тепла на реакции силикатообразования, отнесённые к 1 кг
компонента, кДж / кг, по справочнику[1] с.18.
qñ 
(0,386 1442  12,553  861  17, 402  557  1, 4061 1515)
 17892, 25 êÄæ
100êã.ñò. 3.
100
Теплота нагрева газов разложения, кДж / 100 кг стекломассы, по формуле
(1.53) из [1]:
q ðàç =
( Vãàç  Cãàç t ðàç )
100
 G øñòá +
BH2O  CH2O  t ðàç
0,804
,
(25)
где Vгаз − количество газообразных продуктов разложения (CO2, SO2, N2O5 и
т.д.), м3 / 100 кг ст; Cгаз и C H O − теплоёмкость газообразных продуктов
разложения и водяных паров при температуре tраз, кДж / (м3·К); tраз −
температура продуктов разложения. Принимаем для тарного стекла tраз =
1590 °С.
Количество газообразных продуктов разложения Vгаз определяется по
составу шихты отдельно для всех продуктов разложения (CO2, SO2, N2O5 и
т.д.) по формуле (1.54) из [1], м3 /100 кг ст:
2
Vгаз 
М к  ППП
,
100   газ
(26)
где ППП − потери при прокаливании компонента, входящего в состав шихты,
масс. %; ρгаз − плотность газа, кг / м3.
3
0,386  44,72  17, 402  42  12,553  43,0
 6,666 ì
100êã.ñò.
100 1,977
3
1, 4061 56,6

 0, 215 ì
100êã.ñò.
100  2,852
VÑÎ 2 
VSÎ 2
6,666  2,3556 1590  0, 215  2, 277 1590
4,808 1,8762 1590
 77,162 

100
0,804
 37084,83 êÄæ
100êã.ñò.
q ðàç 
4. Теплота плавления стекла из шихты, кДж / 100 кг стекломассы, по
формуле (1.55) из [1]:
q ï ë  347  Gøñòá ,
(27)
qï ë  347  77,162  26775,214 êÄæ
100êã.ñò.
5. Теплота испарения влаги, кДж / 100 кг стекломассы, по формуле (1.56) из
[1]:
q èñï  2514  ÂÍ Î ,
(28)
2
qèñï  2514  4,808  12087,312 êÄæ
100êã.ñò.
6. Расход тепла на варку 100 кг стекломассы, кДж / 100 кг стекломассы, по
формуле (1.57) из [1]:
Qð  qñ  qì  qï ë  qðàç  qèñï ,
(29)
Qð  17892,25  204300  26775,214  37084,83  12087,312  298139,606 êÄæ
100êã.ñò.
7. Расход тепла на варку 1 кг стекломассы, кДж / кг, по формуле (1.58) из [1]:
(Q Р  Q П )
(30)
100
(298139,606  2511,012)
q ñò 
 2956, 29 êÄæ
êã
100
q ст 