Курсовая работа (т): Разработка рациональных методов сжигания газа

Использование способа сжигания топлива позволяет снизить общую концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания за счет снижения выхода термальных оксидов азота и отсутствия топливных оксидов азота.

.       
Расчеты горения газов

Горение - это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением.

Реакции горения описываются стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате нее вещества. [4]

Реакция горения любого углеводородного газа может быть выражена следующим общим уравнением:

C_mH_n + (m + n/4) O2 = mCO₂ + H₂O+Q,

где m - число углеродных атомов в молекуле углеводорода; n - число водородных атомов в той же молекуле; Q - тепловой эффект реакции.

В практических условиях сжигания газов кислород для их горения подается с воздухом (как его составная часть). Состав сухого воздуха, без учета незначительных количеств диоксида углерода и инертных газов, принимается следующим:

Следовательно, 1м³ кислорода содержится в 100/21 = 4,76 м³ воздуха, или на 1 м³ кислорода приходится 79/21 = 3,76 м³ азота.

Реакция горения любого углеводорода в воздухе выражается уравнением:

C_mH_n + (m + n/4)(O₂+3,76N₂)= mCO₂ + H₂O + (m+n/4)∙3,76 N₂.

Пропан, C₃H₈ - органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе, образуется прикрекинге нефтепродуктов, при разделении попутного нефтяного газа, «жирного» природного газа, как побочная продукция при различных химических реакциях. Чистый пропан не имеет запаха, однако в технический газ могут добавляться компоненты, обладающие запахом. Как представитель углеводородных газов пожаро- и взрывоопасен. Малотоксичен, но оказывает вредное воздействие на центральную нервную систему (обладает слабыми наркотическими свойствами). Горит светящимся пламенем. [5]

реакция горения пропана:

₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O+Q

м³ 5м³ 3м³ 4м³

Хо₂==3,6 кг

Следовательно:

Для сжигания 1 килограмма пропана, требуется 3,6 килограмм кислорода.

Реакция горения любого углеводорода в воздухе выражается уравнением:

_mH_n + (m + n/4) O2 = mCO₂ + H₂O+(m+3,76N₂

Реакция горения пропана в воздухе:

₃H₈ + 5O₂+5*3,76N₂= 3CO₂ +4H₂O + 5*3,76 N₂

Х_возд==4,565

Следовательно:

Для сжигания 1 килограмма пропана, требуется 4,565 кг воздуха.

4.     
Расчет температур горения газов

В теплотехнической практике различаются следующие температуры горения газов: калориметрическая, теоретическая, действительная и жаропроизводительность.

.1      Жаропроизводительность

Жаропроизводительность определяется как температура продуктов полного сгорания горючих газов в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха α = 1,0 при температуре газа и воздуха t = 0 °C [6].

Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула:

t_ж= или t_ж=,

где Q_н - низшая теплота сгорания газа, ккал/нм3;,,- соответственно количества двуокиси углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 мл3 газа, нм3/нм3;,,- средние теплоемкости при постоянном давлении СО₂, Н₂О и N₂ в пределах температур от 0 до t_ж °С, ккал/град.

Жаропроизводительность горючих газов определяется методом последовательных приближений, так как теплоемкость газов непостоянна и увеличивается с повышением температуры.

Поэтому для определения жаропроизводительности предварительно задаются ее величиной (для природных газов около 2000 °С), определяют при а = 1 объемы компонентов продуктов сгорания, устанавливают их средние теплоемкости и подсчитывают жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задаются другой температурой и расчет повторяют [2].

.2      Калориметрическая температура горения

Калориметрическая температура горения отличается от жаропроизводительности тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха принимаются при их действительных значениях [6].

Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула:

t_k = или t_k =

где Q_физ - энтальпия воздуха и газа, отсчитываемая от 0 °С, ккал/нм3 газа; V_B, Cp_B, t_B - соответственно количество, нм3/нм3, средняя теплоемкость, ккал/нм3 град, и температура воздуха, 0 С; - средняя теплоемкость, ккал/нм3 град, и температура газа, 0 °С; - соответственно количество CO₂, H₂O, N₂, O₂, образующихся при сгорании 1 нм3 газа с избытком воздуха, нм3/нм3; - средние теплоемкости при постоянном давлении CO₂, H₂O, N₂ и О₂ - в пределах температур от 0 до t °С, ккал/нм³ град.

Природные и сжиженные углеводородные газы обычно не нагреваются до их сжигания, и их объем сравнительно с объемом воздуха невелик. Поэтому при определении калориметрической температуры горения энтальпию газов ( tг) можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) энтальпия газов, в особенности нагретых до сжигания, оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру.

4.3    Теоретическая температура горения

Теоретическая температура горения t определяется аналогично калориметрической температуре, но с поправкой на эндотермические реакции диссоциации двуокиси углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

При высоких температурах процессы диссоциации происходят более глубоко, с образованием атомарного водорода, кислорода и, в особенности, гидроксила. Кроме этого, при сжигании газа с избытком воздуха всегда образуется некоторое количество окиси азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения.

Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула [3]:

t_m=

Расчеты, связанные с установлением точных затрат тепла на все процессы диссоциации (включая глубокие) и синтеза NO, весьма сложны и в большинстве случаев не вызываются необходимостью. По этим причинам определение теоретической температуры горения обычно производится по упрощенной методике, базирующейся на том, что энтальпии недиссоциированных и частично диссоциированных газов сравнительно близки между собой. Объясняется это тем, что увеличение объёма газов за счет диссоциации компенсируется повышенной теплоемкостью недиссоциированных газов.

В соответствии с изложенным определение теоретической температуры горения может производиться по следующей упрощенной развернутой формуле [2]:

_m=

где а и б - степень диссоциации водяного пара и двуокиси углерода, об. % от исходного количества.

4.4    Действительная температура горения

Действительная температура продуктов сгорания ниже теоретической температуры горения и зависит от величины теплопотерь в окружающую среду, степени отдачи тепла из зоны горения излучением, растянутости процесса горения и др. Действительная температура в топках печей и кот- лов определяется по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения (в зависимости от температур в топках) с введением в них экспериментально установленного поправочного коэффициента [2]:

t_Д=t_τ*ŋ

где ŋ - пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределы: для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией 0,75-0,85; для герметических печей без теплоизоляции 0,65-0,75; для экранированных топок котлов 0,50-0,65.

Для примера был произведен расчет максимальной температуры горения пропана:

t_ж==2110 ^оС

5.     
Пределы воспламенения газов

Смеси горючего газа с воздухом (или кислородом) могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в смеси находится в известных пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний - максимальному количеству газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение при зажигании и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени. Вне концентрационных пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. На рис. 5.1 показаны схемы, иллюстрирующие поведение газовоздушных смесей при их зажигании раскаленной электрической спиралью [3].

Рис. 5.1 Проведение газовоздушных смесей при их зажигании;

а - содержание газа меньше нижнего предела воспламенения;

б - содержание газа между верхним и нижним пределами;

в - содержание газа превышает верхний предел

Схема а соответствует условию, когда содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламенения.

В этом случае смесь, находящаяся внутри сосуда или вытекающая из него, не горит и не взрывается. Точнее, на спирали может протекать процесс горения, однако на весь объем смеси он не распространяется и при удалении источника зажигания прекращается.

Схема б соответствует условию, когда содержание газа в смеси находится между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения. В этом случае подожженная смесь воспламеняется и горит вне сосуда и внутри него как при наличии, так и при удалении источника зажигания. Более того, внутри сосуда происходит мгновенное распространение горения по всему объему смеси, т. е. ее взрыв.

Схема в соответствует условию, когда содержание газа в смеси превышает верхний концентрационный предел воспламенения. В этом случае смесь, подожженная вне сосуда, горит самопроизвольно (при удалении источника зажигания), а внутри сосуда ее горение происходит только на спирали и на весь объем не распространяется. Существование концентрационных пределов воспламенения вызывается тепловыми потерями при горении. По мере разбавления горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания [3].

При наличии в газе небольшого количества инертных примесей значения пределов воспламенения, об. %, могут быть определены приближенно по формуле [3]:

где  - нижний или верхний предел воспламенения смеси, содержащей инертные (балластные) примеси, об. %; L^r - нижний или верхний предел воспламенения горючей части смеси, об. %; - содержание балластных примесей (CO₂ и N₂), доли единицы.

В практике достаточно часто приходится определять коэффициент избытка воздуха и на пределах воспламенения, а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси.

Определение коэффициента избытка воздуха может производиться по формуле [3]:

где L - нижний или соответственно верхний предел воспламенения газа в газовоздушной смеси, об. %; V_Т - теоретический расход воздуха, нм³/нм³.

Расчет давления при взрыве газов

Определить нижний и верхний пределы воспламенения в воздухе природного газа Газлинского месторождения. Состав газа, об. %: СН₄ - 93; С₂Н₆ - 3,1 С₃Н₈ - 0,7; С₄Н₁₀ - 0,6; CО₂ + N₂ - 2,6.

Решение:

Состав горючей части газа без инертных примесей

Нижний предел воспламенения горючей част газа:

Верхний предел воспламенения:

Давление возникающее при взрыве при калориметрической температуре горения 2110 ͦ С составит[3]:

Р_вз=1*(1+ ) *= 9,5 абс. ат.

6.     
Проблемы устойчивости горения газов и методы их решения

6.1    Горение в ламинарном потоке

Примером прибора, в котором с помощью регулировки подачи газа и воздуха можно остановить фронт пламени газовоздушной смеси является любая газовая горелка. Регулируя состав газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения. Пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. При этом на поверхности конусного фронта пламени осуществляется равенство скоростей - проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль к образующей конуса и нормальной скорости распространения пламени [2]: