Курсовая работа: Термодинамический анализ эффективности агрегатов энерготехнологических систем
4. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
4.1 Состав продуктов сгорания
Для оценки термодинамической эффективности использования ВЭР в котле утилизаторе необходимо знать температуру и энтальпию продуктов сгорания смеси отходящих газов с природным. Указанные параметры определяются на основе термохимического расчета процесса горения. Этот расчет включает определение теоретически необходимого для полного сжигания горючей газовой смеси объема воздуха, действительного объема воздуха, подаваемого в топку котла, объемов продуктов сгорания (ПС), теплоты сгорания газовой смеси, теоретической температуры продуктов сгорания. При этом для газообразных топлив указанные объемы принято находить в расчете на 1 м3 объема сухой части сжигаемого газа.
При горении горючие элементы топлива (CO, H2, H2S, CH4 и другие) взаимодействуют с окислителем – кислородом воздуха, и образуют окислы CO2, SO2, H2O и др. Кроме того, в продукты сгорания входят негорючие газообразные компоненты топлива и азот, содержащийся в воздухе.
Если при
полном сгорании 1 м3 горючих газов объем поданного в топку воздуха
таков, что прореагирует весь входящий в него кислород, то такой объем (
, м3/м3)
называется теоретически необходимым. Полученный в этом случае объем продуктов
сгорания (
,
м3/м3) называется также теоретическим. Отметим, что здесь
и в дальнейшем объемы воздуха и других газов берутся при нормальных физических
условиях (p=101,3 кПа и T=273 К), а размерность м3/м3 означает объем
воздуха или компонента продуктов сгорания, приходящийся на 1 м3 объема
сухой части сжигаемой газовой смеси.
Теоретический объем продуктов сгорания состоит из объёмов следующих компонентов:
, (4.1)
где
объем
сухих трехатомных газов (
, так как содержание серы в
топливе мало); 
, 
‑
теоретические объемы азота и водяного пара.
В действительности, из-за несовершенства смесеобразования подача в топку теоретического количества воздуха не обеспечивает полного сгорания топлива. По этой причине обычно в топку подают воздуха больше теоретически необходимого:
, (4.2)
где
действительно поданный в топку объем воздуха, 
– коэффициент избытка воздуха.
Очень часто для удаления продуктов сгорания из котельного агрегата их отсасывают дымососом, в результате чего в газоходах котла создается разряжение. Вследствие этого через неплотности в обмуровке котла в газоходы может подсасываться атмосферный воздух и величина a будет несколько возрастать по длине газового тракта. При работе котла с воздуходувкой давление в газоходах выше атмосферного, поэтому подсосов воздуха нет и значение a сохраняется неизменным.
При
a>1
в продуктах сгорания появляется избыточный воздух 
:
. (4.3)
Следствием избытка воздуха, поступающего в топку,
является увеличение в продуктах сгорания объема водяных паров на величину 
соответствующую
содержанию водяного пара в избыточном воздухе. С учетом 
действительный объем водяных
паров в продуктах сгорания
, (4.4)
где 
– теоретический объем водяных
паров в продуктах сгорания при a=1.
4.2 Определение расходов горючих газов и воздуха
4.2.1 Расход горючих газов
В предтопке котла-утилизатора типа ПКК сжигается смесь
отходящих газов с природным газом (ОГ с ПГ). Объемная доля 
природного газа в этой
смеси составляет:
, (4.5)
где
, 
– расходы
соответственно отходящих и природного газов; здесь и далее индексы “ог”, ”пг
означают соответственно отходящие газы и природный газ. Значение 
выбирают, исходя из
параметров и теплоты сгорания отходящих газов. В настоящей курсовой работе это
значение указано в исходных данных. Величина 
при расчетах также
известна, так как она определяется производительностью сажевого производства.
Таким образом, исходя из формулы (4.5) можно найти потребный расход природного
газа:
. (4.6)
Суммарный расход горючих газов составляет:
. (4.7)
4.2.2 Расход воздуха на горение
Теоретически
необходимый объем 
(м3/м3)
воздуха для полного сжигания 1 м3 смеси ОГ с ПГ определяется по формуле
, (4.8)
где
и 
соответственно теоретические объемы воздуха для сжигания отходящих газов
сажевого производства и природного газа.
В свою очередь
, (4.9)
где СО, Н2, Н2S и другие – объемные доли соответствующих компонентов в отходящих газах, %.
Величина
также
может быть рассчитана по формуле (4.9) или взята из справочника (табл.3).
Действительный объем воздуха 
в м3/м3
для сгорания 1 м3 смеси ОГ с ПГ вычисляется по формуле (4.2).
4.3 Объем продуктов сгорания
Объем продуктов сгорания 1 м3 смеси ОГ с ПГ при a>1 находится как сумма объемов их компонентов:
. (4.10)
Объем
сухих трехатомных газов 
определяется
суммированием объема таких газов, содержащихся в ОГ и получающихся при их
сжигании, с одной стороны, и объема трехатомных газов, образующихся при
сгорании природного газа:
, (4.11)
где
СО2, CO, Н2S,
CmHn
объемные доли соответствующих компонентов в отходящих газах, %, 
объем сухих трехатомных газов в продуктах сгорания природного газа (см.табл.3).
Теоретический объем азота вычисляется следующим образом:
, (4.12)
где
N2(пг)
процентное содержание азота в отходящих газах, 
– объем азота при 
в продуктах сгорания природного
газа (см.табл.3).
Объем водяного пара, вносимого в топку отходящими газами и получающегося при их сгорании, может быть вычислен следующим образом:
, (4.13)
где
влагосодержание отходящих газов, г/м3. Значение 
находится
по формуле
, (4.14)
где
WР
содержание влаги в отходящих газах, %; 
– плотность водяного пара, кг/м3
(при нормальных условиях 
= 0,804 кг/м3).
Суммарный
объем 
водяного
пара в продуктах сгорания составляет
. (4.15)
Второе слагаемое в правой части равенства (4.15) учитывает образование водяного пара при горении добавки природного газа (см.табл.3), а третье – влагосодержание воздуха, подаваемого в топку (принимается, что влагосодержание воздуха равно 10 г/м3).
Объем избыточного воздуха может быть найден по формуле (4.3) или
. (4.16)
4.4 Теплота сгорания смеси газообразных топлив
Низшая
теплота сгорания 
, кДж/м3, сухой смеси
ОГ с ПГ рассчитывается по уравнению:
, (4.17)
где
CO, H2,
H2S,
объемное содержание соответствующих горючих компонентов в отходящих газах,
%; 12636, 10798, 23400 и т. д. – низшие теплоты сгорания горючих компонентов
отходящих газов, кДж/м3; 
низшая теплота сгорания сухого природного газа, кДж/м3.
4.5 Энтальпии воздуха, отходящих газов и продуктов сгорания
Котел-утилизатор с термодинамической точки зрения представляет собой открытую термодинамическую систему. Поэтому вычисление составляющих энергетического и эксергетического балансов удобно выполнять, используя величину энтальпии продуктов сгорания. Кроме того, требуется знать энтальпии воздуха при различных его температурах.
4.5.1 Энтальпия продуктов сгорания
Энтальпия продуктов сгорания определяется в расчете на 1м3 сухих горючих газов, поступающих в топку (предтопок) котла-утилизатора. Так как компоненты продуктов сгорания можно считать идеальными газами, то
(4.18)
где
t – температура газовой смеси; 
– энтальпия i-го
компонента; 
средняя в диапазоне температур 0 – t
°С
объемная теплоемкость i-го
компонента в изобарном процессе; 
– парциальный объем i-го
компонента; N – число компонентов.
Значения
при
нелинейной зависимости от температуры могут быть найдены из таблиц
термодинамических свойств газов. В инженерных расчетах широко пользуются
приближенной линейной зависимостью
, (4.19)
обеспечивающей
допустимую погрешность в диапазоне t
= 0 – 2000 °С. Здесь 
и 
– постоянные интерполяционной
формулы теплоемкости.
При этом формула энтальпии смеси (4.18) принимает вид:
. (4.20)
Используя линейные зависимости вида (4.19) для отдельных компонентов продуктов сгорания, приведенные в табл. 4, можно на основе выражения (4.20) получить зависимость энтальпии продуктов сгорания от температуры
, (4.21)
где
, 
.
Формула (4.21) дает возможность вычислять значение энтальпии продуктов сгорания при любой заданной температуре.
4.5.2 Энтальпия воздуха
Если принять зависимость теплоемкости воздуха от температуры линейной, то согласно табл.П.2. средняя в диапазоне температур 0 – t °С объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении определится так:
, (4.22)
Тогда энтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сжигания 1 м3 смеси ОГ с ПГ составит:
, (4.23)
где t – температура воздуха, °С.
Энтальпия действительного количества воздуха при сгорании 1 м3 смеси ОГ с ПГ, кДж/м3, определится по формуле
. (4.24)
4.5.3 Энтальпия отходящих газов
Энтальпия отходящих газов определяется по формуле:
, (4.25)
где
t – температура ОГ, °С;
и 
–коэффициенты
формул для средней объемной изобарной теплоемкости i-го
компонента сухой части ОГ; 
– объемная доля i-го
компонента в сухой части ОГ (в %); 
– число компонентов в сухой части
ОГ; 
объемная доля влаги в ОГ; 
- коэффициенты формулы средней
объемной изобарной теплоемкости для водяного пара. Формула (4.25) учитывает то,
что для расчета тепловых балансов в котле–утилизаторе энтальпия отходящих газов
должна быть отнесена к 1 м3 сухой части этих газов.
4.6 Определение теоретической температуры продуктов сгорания
В
топках паровых котлов, работающих на природном газе, мазуте, угольной пыли,
стенки топки покрыты экранными трубами, которые защищают конструкцию от
воздействия высоких температур. В котлах-утилизаторах, в которых сжигается
низкокалорийное топливо, температуры пламени относительно низкие и потери теплоты
в стенки топки нежелательны. По этой причине, в частности, в топочной камере
котлов-утилизаторов типа ПКК экранные трубы отсутствуют. Если не учитывать
потери теплоты в стенки топочной камеры и принимать, что все полезное
тепловыделение в топке затрачивается только на их нагрев, то температуру
продуктов сгорания на выходе из топки можно приближенно считать равной так
называемой адиабатной температуре горения 
. Последняя находится на основе
уравнения сохранения энергии:
, (4.26)
где 
– энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, 
– доля теплоты,
теряемая от химической неполноты сгорания ( %), 
– теплота, вносимая в топку смесью отходящих газов с природным, 
– теплота,
вносимая в топку воздухом, приходящим из воздухоподогревателя.
Теплота, вносимая смесью ОГ с ПГ
, (4.27)
где
и 
– теплота,
вносимая в топку соответственно отходящими газами и природным газом. Величина 
равняется
энтальпии отходящих газов 
:
(4.28)
Вследствие
малых значений 
и невысокой температуры
природного газа, поступающего в котел-утилизатор, вторым слагаемым в правой
части уравнения (4.27) можно пренебречь. Тогда с учетом (4.28)
. (4.29)
Теплота
, вносимая в
топку с воздухом, равна его энтальпии на выходе из воздухоподогревателя и может
быть вычислена по формуле (4.24) при условии, что на входе в
воздухоподогреватель температура воздуха составляет 60…80 °С,
а в воздухоподогревателе она повышается на 200…250 °С.
