Расчет горения топлива

Природный газ имеет следующий состав:
Метан (СН4) – 83,44 %;
Этан (С2Н6) – 6,13 %;
Пропан (С3Н8) – 2,99 %;
Н-Бутан (С4Н10) – 1,28 %;
Азот (N2) – 0,43 %;
Водород (H2) – 5,36 %;
Двуокись углерода (СО2) – 0,37 %;
Всего:100%
Определение расхода воздуха для сжигания топлива:
Расход кислорода для сжигания смешанного газа рассматриваемого состава при коэффициенте расхода воздуха α=1,0 находим по формуле:
VO2=0,010,5CO+H2+3H2S+m+n4CmHn,
где Vo2 – расход кислорода при коэффициенте расхода воздуха α=1,0, м3/м3.
VO2=0,01∙[0,5∙5,36+1+44∙83,44+2+64∙6,31+3+84∙2,99++4+104∙1,28]=2,14285≈2,14 (м3/м3)
В расчетах принимают следующий состав воздуха: N2–79,0%; O2 – 21,0%.
Расход сухого воздуха при коэффициенте избытка α=1,04, находим по формуле:
VВ=α(1+k)VO2
где k – отношение объемных содержаний N2 и O2 в дутье (для воздуха k=79/21=3,762); α – коэффициент избытка воздуха.
VВ=1,04·(1+3,762)·2,14=10,5983072≈10,6 (м3/м3)
Состав продуктов сгорания, находим по формулам:
VСO2=0,01(CO2см+COсм+СН4см+2С2H6см+3C3H8см+4C4H10см)
где - объем СО2
VСO2=0,010,37+83,44+2∙6,13+3∙2,99+4∙1,28=1,102≈1,1 м3/м3
VН2O=0,01Н2Осм+Н2см+0,54СН4см+6С2H6см+8C3H8см+10C4H10см
где - объем Н2О.
VН2O=0,015,36+0,54∙83,44+6∙6,13+8∙2,99+10∙1,28==2,0899≈2,09 м3/м3
VN2=0,01N2см+nkVO2
где - объем N2.
=0,01·0,43+1,04·3,762·2,14=8,3777≈8,38 м3/м3
VO2`=(n-1)VO2
где - объем О2.
=(1,04-1)·2,14=0,0856≈0,09 м3/м3
Суммарный объем продуктов сгорания, определяем по формуле:
Vп.с.=VCO2+VH2O+VN2+VO2`
где - объем продуктов сгорания.
=1,1+2,09+8,38+0,09=11,66 м3/м3
Процентный состав продуктов сгорания:
CO2=1,111,66∙100%=9,43396≈9,43 %H2O=2,0911,66∙100%=17,92552≈17,93 %N2=8,3811,66∙100%=71,86963≈71,87 %O2=0,0911,66∙100%=0,77186≈0,77 %
∑=9,43+17,93+71,87+0,77=100 %
Правильность расчета проверяем составлением материального баланса:
Таблица 1 Материальный баланс
Поступило, кг: Получено продуктов сгорания, кг:
СН4 0,8344·0,716=0,597
С2Н6 0,0613·1,342=0,082
С3Н8 0,0299·1,967=0,059
С4Н10 0,0128·2,598=0,033
N2 0,0043·1,25=0,005
Н2 0,0536·0,09=0,004
СО2 0,0037·1,963=0,007 СО2 1,1·1,963=2,16
Н2О 2,09·0,804=1,68
О2 0,09·1,428=0,13
N2 8,38·1,25=10,48
Всего 0,787
Воздух 10,6·1,29=13,674 Всего 14,45
Итого 14,461 Невязка 0,011
Невязка баланса составляет менее 1 %, что допустимо.
Для газообразного топлива теплота сгорания определяется как сумма произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество:
Qнр=358·CH4+636·C2H6+913·C3H8+1185·C4H10+108·H2
Qнр=358·83,44+636·6,13+913·2,99+1185·1,28+108·5,36=38595,75 кДж/м3.
Для определения калориметрической температуры горения необходимо найти энтальпию продуктов сгорания, которая определяется по формуле:
i0=Qн.р.см.+iВVВ+iГVп.с.
где iВ=395,42 кДж/м3– энтальпия воздуха при tВ=300 0С;
iг=148,03 кДж/м3 – энтальпия газа при tГ=100 0С;
VВ – объем воздуха.
i0=38595,75+395,42⋅10,6+148,0311,66=3682,267 кДж/м3
где tк – калориметрическая температура;
- энтальпия СО2 при данной tк;
- энтальпия Н2О при данной tк;
- энтальпия N2 при данной tк;
- энтальпия О2 при данной tк;
- объем СО2;
- объем Н2О;
- объем N2;
- объем О2;
- объем продуктов сгорания.
Зададим температуру t`к=1900 0С и при этой температуре находим энтальпию продуктов сгорания:
i1900=4634,76∙1,1+3657,85∙2,09+2808,22∙8,38+2971,30∙0,0911,66==3129,77 кДж/м3
По этой же формуле находим энтальпию при температуре t``=2000 0С:
i2000=4910,51∙1,1+3889,72∙2,09+2970,25∙8,38+3142,76∙0,0911,66==3291,13 кДж/м3
Определяем калориметрическую температуру горения смешенного газа, рассматриваемого состава в заданных условиях, для этого используем формулу:
tk=tk'+i0-itk'itk''-itk'(tk''-tk')
где - калориметрическая температура горения смешанного газа;
=20000С – калориметрическая температура;
- энтальпия продуктов сгорания;
- энтальпия продуктов сгорания при =20000С;
- энтальпия продуктов сгорания при =19000С.
tk=1900+3682,267-3129,773291,13-3129,772000-1900=2242,4 °С
Приняв пирометрический коэффициент равным , находим действительную температуру горения топлива по формуле:
tдейст.=tк=0,75·2242,4=1681,8 °С