Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
1. Пример расчёта процесса сжигания отходящих газов в топке сушильного барабана. 1.1. Исходные данные:
–Состав сухих отходящих газов:
СО2– 3,0%; СО– 14%; Н2– 12%; О2– 1,0%; H2S– 0,2%; СН4– 0,1%; N2– 69,7%.
– Влагосодержание отходящих газов dг = 302г/м³.
– Содержание влаги в воздухе dв = 15г/м³.
– Потери тепла в топке камеры обогрева– 5,0%.
– Температура отходящих газов– 170⁰С.
– Температура воздуха– 340⁰С.
– коэффициент избытка воздуха α=1,1.
1.2.Расчёт.
1.2.1 Плотность сухих отходящих газов определяется по формуле 3.1.
Р0 = 0,01( 1,25 СО + 0,09 Н2 + 1,54 Н2S + 0,717 СН4 + 1,43xО2 + 1,25x69,7 + 1,98 СО2 ),
где СО, Н2,… СО2– компоненты отходящих газов, % по объёму.
Р0 = 0,01( 1,25x14 + 0,09x12 + 1,54x0,2 + 0,717x0,1 + 1,43x1,0 + 1,25x69,7 + 1,98x3,0 )= 1,12кг/м³.
1.2.2. Теплота сгорания сухих отходящих газов определяется по формуле 3.2.:
Qн= 0,126xСО + 0,108Н2 + 0,238H2S + 0,385СН4 = 0,126x14 + 0,108x12 + 0,238x0,2 + 0,385x0,1=
= 1,764 + 1,296 + 0,476 + 0,0358 = 3,143 мДж/м³.
1.2.3. Так как отходящие газы содержат большое количество водяных паров, теплота сгорания их Qн значительно ниже Qн сухой составляющей газов. Объём влажных газов определяют по формуле VВГ=Vсг(1+ dг/0,805). Отсюда объём отходящих газов составит Vвг= Vсг (1+ 302/0,805) =1,375 Vсг. Необходимо отметить, что, как правило, расчёты проводятся на сухую часть газов, тем более, что и анализ газов определяет состав только сухой части отходящих газов. Количество водяных паров определяется обычно расчётным путём. Исходя из фактического объёма отходящих газов (Vвг = Vотх г.) теплота сгорания влажных отходящих газов составит: 3,143/1,375=2,286мДж/м³.
1.2.4. Теоретический объём воздуха, необходимый для сжигания 1м³ сухих отходящих газов определяем из уравнения:
V0.воз. = [ 0,5 ( СО + Н2 ) + 2СН4 + 1,5Н2S – О2 ] · 1/21. = ( 7 + 6 + 0,2 + 0,3 – 1,0 ) · 1/21 = =0,595.м³/м³сг.
Из-за несовершенства смесеобразования подача теоретического количества воздуха не обеспечивает полного сгорания газа, так как в отдельных зонах факела может быть недостаток воздуха, поэтому для обеспечения полного сгорания газа во всех зонах факела воздух подают с некоторым избытком. Отношение действительного объёма воздуха, подаваемому для сжигания(Vв), к теоретическому необходимому объёму воздуха(V0в) называется коэффициентом избытка воздуха (α). α=Vв/V0в.
При сжигании отходящих газов производства техуглерода для хорошего смешивания газов с воздухом требуется значительный избыток воздуха в связи с большим объёмом газов. Коэффициент избытка воздуха α принимают 1,1– 1,15. Но сначала для определения жаропроизводительности отходящих газов необходимо определить объём продуктов сгорания газов при α=1,0.
1.2.5. Объём продуктов сгорания при α=1,0 составит:
– VСО2=0,01( СО+СО2+СН4)= 14+3+0,1=0,171нм³/м³сг.
– VSO2=0,01H2S =0,01·0,2=0,002нм³/м³сг.
–VN2=0,79·V0в + 0,01·N2=0,79·0,595 + 0,01·69,7=0,47 + 0,697=1,16705м³/м³сг.
– VH2O=0,01 [H2+2CH4+H2S+0,124·( dг + α·V0в·dв)]=
0,01[ 12+0,2+0,2+0,124·( 302+1,0·0,595·15)=0,01(12+0,2+0,2)+0,124·310,93=0,5095нм³/нм³сг.
Полный объём продуктов сгорания составит:
Vпс = VCO2 + VSO2 + VO2 + VN2 + VH2O=0,171+0,002+1,167+0,5095=1,8495нм³/м³сг.
1.2.6. Определение жаропроизводительности отходящих газов.
Для определения жаропроизводительности сравнивают теплосодержания продуктов сгорания при разных температурах с низшей теплотой сгорания отходящих газов. Обычно достаточно подсчёта величин теплосодержаний при двух температурах. Теплосодержание продуктов сгорания определяют по формуле: Qпс = Vпс·Ср·Tг.
где Vпс—объём продуктов сгорания; Ср—средневзвешенная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре горения; Tг– температура горения.
Задаются примерной величиной жаропроизводительности T1 отходящих газов и определяют теплосодержание продуктов сгорания при этой температуре. Если теплосодержание будет ниже рассчитанной теплоты сгорания Qн, то задаются температурой на 100⁰С. выше и повторяют подсчёт. Если величина теплосодержания будет выше Qн, то повторяют подсчёт при температуре на 100⁰С.ниже T1. Для расчётов все данные имеются, теплоёмкости газов берём из таблицы 3.1.
Примем T1= 1000⁰С. и определим теплосодержание продуктов сгорания отходящих газов при этой температуре:
Q1 = 1000·(0,38+1,631+0,88)=1000·2,895=2895 кДЖ/м³ или 2,895 мДж/м³. Поскольку эта величина ниже Qн (3,143 мДЖ/м³), следовательно, жаропроизводительность отходящих газов выше 1000⁰С. Задаёмся температурой 1100⁰С. и повторяем расчёт теплосодержания
Q2=T2 (VCO2 ·CCO2+VN2·CN2+VH2O·CH2O) =1100 (0,171·2,2525+1,1677·1,4087+0,50595·1,768)=
= 1100 (0,38518+1,645+0,8945)=1100·2,9285=3221,46кДЖ/м³ или 3,22146 мДЖ/м³.
Полученная величина выше теплоты сгорания отходящих газов. Следовательно, жаропроизводительность отходящих газов находится между температурами 1000 и 1100⁰С.. Эту температуру определяем из соотношения:
TK=T1+(T2-T1··= =1000+100·0,76=1076⁰C.
Таким образом, жаропроизводительность отходящих газов производства техуглерода составляет 1076⁰С.
Эту температуру можно определять и методом последовательных приближений, изменяя температуру до получения нужного результата/3.7.3./ стр.211. Покажем это на том же примере.
Примем в первом приближении, что температура продуктов сгорания равна 1100⁰С., тогда, используя формулу (3.4.) получим:
Т1 = = 1072,7⁰С.
Уточним теплоёмкости (с применением интерполяции), считая температуру продуктов сгорания 1075⁰С. С учётом этих данных во втором приближении получаем:
Т2 = = = 1076,4⁰С.
Различие между температурой, определённой во втором приближении, и той температурой, при которой определяли, теплоёмкости составляет всего 1,4⁰С., поэтому делать следующие приближения не имеет смысла. Принимаем Тж = 1076⁰С., что равно температуре рассчитанной по первому методу.
В приведённом примере результат получился уже со второго приближения, обычно требуются несколько приближений, поэтому этот метод более трудоёмкий, но он хорошо подходит для проверки результата, полученного по первому методу.
3.4.1 Однако, для практических целей обязательно нужно знать температуру продуктов сгорания газов в печах дожига, топках сушильных барабанов, топках котлов. Для этого не нужно специально определять теоретическую температуру. Действительную температуру определяют по формуле (3.5.) Калориметрическую температуру отходящих газов определяем по формуле (3.4.):
тКАЛ.отх.газ.=, где в знаменателе Qн—теплота сгорания газов; Qв– теплосодержание воздуха, подаваемого для сжигания газов; Qг– теплосодержание газов. В числителе указаны сумма произведений объёмов продуктов сгорания газов (СО2, N2, Н2О) на теплоёмкости газов, и произведение объёма избыточного воздуха (α>1,0) на теплоёмкость воздуха. Теплоёмкости продуктов сгорания отходящих газов и воздуха берём из таб.3.1.
Определим калориметрическую температуру продуктов сгорания отходящих газов в топке сушильного барабана БСК-40., приняв в первом приближении, что температура продуктов сгорания составит 1200⁰С., тогда:
Tкал.топ.== ==1202,5⁰С.
Различие между температурой, найденной в первом приближении, и температурой, при которой определяли теплоёмкости, составляет всего 2,5⁰С. Дальнейшее уточнение теплоёмкостей может изменить температуру только примерно на 1⁰С., поэтому делать следующие приближения не имеет смысла. Тем более, что теплосодержание продуктов сгорания отходящих газов в топке камеры обогрева сушильного барабана составляет: 3,0487·1200 = 3658,44кДж/м³, что близко по величине к теплоте сгорания газов в топке (3666кДж/м³). Такая проверка подтверждает правильность расчёта температуры продуктов сгорания отходящих газов
С учётом пирометрического коэффициента определим температуру продуктов сгорания отходящих газов на выходе из топки, т.е. на входе в сушильную камеру барабана:
Так как потери тепла в топке сушильного барабана составляют 5%, пирометрический коэффициент n составит: 1,00-5/100=0,95.
Tтоп.= n· Тк.топ.= 0,95·1200⁰С. = 1140⁰С.
Следует отметить, что теплосодержание газов, (3666,1кДж/м³) рассчитывалось на сухую часть газов, теплосодержание влажных газов составит 3666,1/1,375= 2666кДж/м³.
3.4.2. Определим температуру продуктов сгорания отходящих газов в печи дожига газов.
Эту температуру также определяем по формуле (3.5.),т.е. Tдейст = nпир ·TkАЛ. Калориметрическую температуру определяем так же, как и для топки камеры обогрева. В отличии от условий сжигания отходящих газов в топке, в печь дожига газов подаётся холодный воздух. Теплоёмкости принимаем из условия, что температура продуктов сгорания составит 1125⁰С. (Предварительно проведено три приближения.)
Tк.печи.= (Qн + α·Vв·cв·Tв + Vг·cг·Tг))/(ΣVпс·Спс + Vизб.в.·Св.) = (3143+1,1·0,595·1,3·20 + +1,0·1,34·170)/(0,173·2,259 + 1,167·1,413 + 0,5095·1,7622 + 0,0595·1,3) = =3388/3,021=1121,5⁰С.. Различие между полученным результатом и той температурой, при которой определяли теплоёмкости составляет всего 3,5⁰С.(0,3%), поэтому полученную температуру считаем окончательной.
В связи с большой наружной поверхностью печи дожига теплоотдача от печи дожига отходящих газов в окружающую среду составляет 10—12%., при этом температура газов перед дымовой трубой печи (без принудительного охлаждения) составит:
Tпечи = 0,9·1121,5= 1009⁰С.,где 0,9 – пирометрический коэффициент (n= 1,00-10/100= 0,9).
Такая температура не допустима для обмуровки (или металла) дымовой трубы. Поэтому перед дымовой трубой продукты сгорания отходящих газов необходимо охлаждать. По проектам охлаждение предусматривалось за счёт впрыска воды в боров печи дожига газов, что приводило к периодическому разрушению футеровки борова печи и необходимости довольно частых ремонтов. Увеличения надёжности работы печи удалось достичь посредством охлаждения продуктов сгорания отходящих газов за счёт подсоса в печь воздуха через специальные отверстия. Это не только сократило количество ремонтов печи, но и понизило концентрацию вредных газов, в продуктах сгорания, удаляемых из печи дожига газов. Печь дожига газов является важным агрегатом в технологической схеме производства техуглерода, так как при остановке печи дожига неизбежно снижается объём производства техуглерода в связи с невозможностью полного дожига отходящих газов. Поэтому надёжной эксплуатации печей дожига газов должно уделяться самое серьёзное внимание. Прежде всего, каждая печь дожига должна иметь индивидуальную дымовую трубу, не связанную с дымовыми трубами котельных. Понижение температуры продуктов сгорания газов нужно производить за счёт смешивания их с холодным воздухом, печь должна иметь все необходимые контрольно-измерительные приборы, а также нужно периодически производить инструментальные замеры расходов отходящих газов.
3.4.3. Определим температуру горения смеси отходящих газов с природным газом.
Для стабилизации процесса горения отходящих газов производства техуглерода, а также для повышения температуры продуктов сгорания отходящих газов в горелки котлов, печей дожига газов и топки камер обогрева сушильных барабанов в дополнение к отходящим газам подают в небольших количествах природный газ.
Произведём расчёт температуры продуктов сгорания отходящих газов в топке камеры обогрева сушильного барабана при подаче в горелку 1,0% природного газа от объёма сухой части отходящего газа. Так как в составе природного газа содержится до 98,5% метана, для упрощения расчётов заменим объём природного газа на такой же объём метана. Это не повлияет на результаты расчёта. Произведём расчёт состава отходящих газов в образовавшейся смеси газов:
СО = 14·0,99 = 13,86%; H2 = 12·0,995= 11,88%; СО2=3,0·0,99 = 2,97%; О2 = 1,0·0,99 = 0,99%; СН4= 0,1·0,99= 0,099%; H2S= 0,2·0,99= 0,198%; N2= 69,7·0,99= 66,003%; природный газ (СН4)=1,0). Итого– 100%.
Рассчитаем теплоту сгорания смеси газов:
Qн.см= 0,126СО + 0,108Н2 + 0,238Н2S +0,385СН4= 0,126·13,86 + 0,108·11,88 + 0,238·0,198 + 0,385·( 0,099+1,0)= 1,74636 + 1,283 + 0,04712+ 0,4231= 3,4996мДж/м³. (3499,6кДж/м³).
Объём воздуха, необходимый для сжигания 1м³ смеси газов составит:
V0. возд.= [0,5(CO+H2)+2CH4+1,5H2S-O2]·1/21=(12,87+2,198+0,732-0,99)·1/21=14,81/21= =0,705м³/м³.
Определим объём продуктов сгорания смеси газов:
Vco2 = 0,01( CO + CO2 + CH4 )= 0,01(13,86+ 2,97 + 1,099)= 0,1793м³/м³.
VSO2= 0,01·H2S= 0,01·0,198 = 0,00198м³/м³.
Vo2=0,21·(α-1)·V0в = 0,21·0,1·0,705= 0,0148м³/м³.
VN2= 0,79·α·V0в + 0,01·N2= 0.79·1,1·0,705+ 0,01·69,003=0,61264+0,69003= 1,3026м/м³.
Vн2о= 0,01 [Н2 + 2СН4 + Н2S + 0,124·(dг+ α·V0в.·dв)= 0,01[11,88+1,099+0,198) +
+0,124·(302+1,1·0,705·16)= 0,01·( 13,177+ 38,98)= 0,52157м³/м³.
Vпр.сг.= 0,1793 +0,ОО198+0,0148+1,3026+0 52157= 1,9356= 2,022м³/м.
Определим теплосодержание смеси отходящего и природного газов при температуре смеси газов 170⁰С. и температуре воздуха 340⁰С.
Qсм = Qн.см. + Qг + Qв = 3499,6+Vг·сг·Тг+Vв·cв·Tв = 3499,6+ 1·170·1,34+1,1·0,705·340= =4077,8кДж/м³.
Рассчитаем калориметрическую температуру горения смеси природного и отходящего газов. Калориметрическую температуру определяем по изложенному выше методу последовательных приближений (п.1.2.6.Разд.4.3.).
Принимаем в первом приближении, что температура T1 составит 1200⁰С., тогда возьмём теплоёмкости газов из Табл.3.1. и определим расчётную величину температуры
Т1=(3499,6 + 1·170·1,34 + 1,1·0,705·340·1,325)/(0,1793·2,2819 + 0,0148·1,5063 + 0,00198·2.15 + 1,3026·1,43 + 0,52157·1,7825)= 4077,8/3,2144= 1269 ⁰C. Отсюда понятно, что расчётная температура значительно отличается от принятой в первом приближении, а теплосодержание продуктов сгорания Q1= 3,2144·1200=3857,3кДЖ/м³. меньше теплосодержания смеси газов (4О77,8кДЖ/м³). Поэтому во втором приближении принимаем температуру Т2= 1300⁰С. Определим теплосодержание продуктов сгорания при этой температуре, исходя из объёмов и теплоёмкостей газов CO2, N2 H2O, SO2:
Q2 =Т2·(0,1793·2,3079 + 0,0148·1,5154 + 0,52157·1,8085 + 1,ЗО26·1,4305 + 0,00198·1,525)=
=T2·(0,4138+0,02243+0,94326+1,863+0,00302)=1300·3,245=4219,3кДЖ/м³. Эта величина больше величины теплосодержания смеси газов(3874,5), поэтому калориметрическую температуру определяем по формуле:
Ткал.=Т1+ = 1200 + 100·= 1200 + +100·0,61= 1261⁰С. Ттоп= 0,95·1261= =1198⁰С.
Проведённые расчёты показывают, что при добавлении к отходящим газам 1,0% объёмных природного газа в расчёте на сухую часть газов, температура продуктов сгорания отходящих газов увеличивается примерно на 60⁰С., теплота сгорания смеси газов при этом возрастёт на ·100-100 = 11%.
3.4.4. Расчёты параметров отходящих газов на рабочий объём отходящих газов.
На практике производится измерение всего объёма отходящих газов т.е. влажных газов или, как принято говорить рабочего объёма отходящих газов, поэтому все характеристики влажных газов определяются в данном примере из соотношения Vвл.г = Vс.г.·1,375, рассчитанного в начале примера. Как уже указывалось, теплота сгорания влажных отходящих газов составит: 3143/1,375= 2285,8кДж/м³. Определим теоретический расход воздуха для сжигания 1м³ влажных отходящих газов: 0,595/1,375= 0,433м³/м³вл.г. При коэффициенте избытка воздуха α= 1,1 необходимый объём воздуха для полного сжигания отходящих газов составит: 0,433·1,1= 0,476м³/м³вл.газ. На эту величину и нужно ориентироваться в практической работе. Далее рассчитаем состав влажных отходящих газов:
СО– 14/1,375=10,182%об. Н2– 12/1,375= 8,727%об. О2– 1,0/1,375= 0,727%об.
СН4– 0,1/1,375= 0,0727%об. Н2S– 0,2/1,375=0,145%об. N2– 69,7/1,375= 50,691%об.