Физико-химические основы горения топлива

1. Исходные  данные для проектирования.

 

Курсовой проект выполняется  на основании задания на проектирования.

Задание №13

Состав природного газа:

СН₄-84,41% 

С₂Н₆-6,72% 

С₃Н₈-1.77,%  

С₄Н₁₀-0,43%  

С₅Н₁₂-0,27%  

Н₂S-0,36%  

N₂-2,59%  

 

СО₂-0,28%

Влагосодержание топлива d_T=0,01 мг/м³

Коэффициент избытка  воздуха α_B=1,1

Влагосодержание воздуха d_B=0,015 мг/м³

Температура смеси Т_о=450 К

Давление смеси  101,3 кПа

Высота топки 4000 мм

Диаметр топки 3000 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определение  состава продуктов полного сгорания топлива.

 

Теоретическое количество кислорода, необходимого для  сгорания 1м³ топлива, определяется по формуле:

,

где: H₂S, - процентное содержание сероводорода в 1м³ топлива;     

                 C_nH_m- процентное соотношение i-го углеводорода в 1м³ топлива;

                 n, m – число атомов соответственно углерода и водорода в химической формуле 1-го углеводорода.

 Так как в атмосфере воздуха  содержится 21% кислорода, количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 м³  топлива, будет в 1/0,21=4,76 раза больше чем кислорода:

 Количество двуокиси углерода, образующейся при полном сгорании 1 м³ газового топлива, определяется по следующей зависимости:

где: СО_2Т, - процентное содержание двуокиси углерода в балансе топлива;

  

Количество  сернистого газа, образующемся при сгорании 1 м³ топлива:

Количество водяных паров, образующихся при сгорании 1м³ топлива:

Количество  кислорода, входящих в состав продуктов сгорания при α_B>1 .

Количество азота, образующийся при сгорании 1м³ топлива:

где: N_2Т - процентное содержание азота в балансе топлива;

Полный объём  продуктов сгорания 1м³ топлива:

где: V_сух- объём сухих продуктов сгорания.

 

Результаты  расчёта сводятся в таблицу 1

Таблица 1

 

aв	Выход продуктов  сгорания, м3
	H2О	СО2	SO2	N2	О2	Vсух	VГ
aв=1	2,20	1,06	0,004	7,77	0	8,84	11,04
aв=aв зад	2,2	1,06	0,0036	8,85	0,214	9.83	12,03

 

Для проверки результатов  вычислений выполняется расчёт состав продуктов полного сгорания природных газов. Результаты расчёта сводятся в таблицу 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

 

Компоненты  газо-воздушной смеси и уравнения реакций горения		Расход воздуха, м3		Выход продуктов горения, м3
		O2	N2	CO2	H2O	N2	O2	SO2
СН4	0,8441	1,688	6,348	0,844	1,688	6,348	-	-
С2H6	0,0672	0,235	0,884	0,134	0,202	0,884	-	-
С3H8	0,0177	0,089	0,333	0,053	0,071	0,333	-	-
С4H10	0,0043	0,028	0,105	0,017	0,022	0,105	-	-
С5Н12	0,0027	0,022	0,081	0,014	0,016	0,081	-	-
H2S	0,0036	0,005	0,020	-	0,004	0,020	-	0,004
Итого для горючих  компонентов топлива при αB=1,0		1	2,07	1,06	2,00	7,77		0,004
		9,84
СО2 N2 Водяной пар в 1м3 топлива (dт, кг/м3)				0,0028	-	-	-	-
				-	-	0,0259	-	-
		-		-	0,0124	-	-	-
Избыточный  воздух с содержанием пара dв, кг/м3		0.984		-	0,201	0,777	0,21	-	-		-
Итого для газо-воздушной  смеси		10,822		1,0628	2,0124	8,5745	0,2066	0,004

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Определение  адиабатной температуры горения  газовой смеси

 

3.1 Определение  адиабатной температуры горения  газовой смеси, 

при постоянном объёме.

 

,

где: r_i-доля компонента

Q_нi-теплота сгорания i-го компонента.

Т_Т=Т_В=Т_о=450 К=176,85 ⁰С

,

где: V_g. C_Vg- количество и средняя в диапазоне 0…Т_а изохорная объёмная теплоёмкость g-го компонента продуктов сгорания.

 

Т_а^пр=800 ⁰С

 

Т_а^пр=1000 ⁰С

 

Т_а^пр=1200 ⁰С

 

Т_а^пр=1400 ⁰С

 

 

Т_а^пр=1600 ⁰С

 

Т_а^пр=1800 ⁰С

 

Т_а^пр=2000 ⁰С

 

Т_а^пр=2200 ⁰С

 

Т_а^пр=2400 ⁰С

 

Т_а^пр=2600 ⁰С

 

По данным значениям  строится график 1, по которому вычисляется истинное значение Т_а.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1. График зависимости адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объёме.

 

 

По графику  Т_а = 2400 °С

 

3.2 Определение адиабатной температуры горения газовой смеси,

при постоянном давлении.

 

,

где: V_g. C_Рg- количество и средняя в диапазоне 0…Т_а изобарная объёмная теплоёмкость g-го компонента продуктов сгорания.

 

Т_а^пр=800 ⁰С

 

 

 

 

Т_а^пр=1000 ⁰С

 

 

Т_а^пр=1200 ⁰С

 

 

Т_а^пр=1400 ⁰С

 

 

Т_а^пр=1600 ⁰С

 

 

Т_а^пр=1800 ⁰С

 

 

Т_а^пр=2000 ⁰С

 

 

Т_а^пр=2200 ⁰С

По данным значениям  строится график 2, по которому вычисляется  истинное значение Т_а.

 

 

Рис 1. График зависимости  адиабатной температуры горения  газовой смеси при постоянном давлений.

 

 

По графику  Т_а= 2000 °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Определение  основных параметров адиабатного воспламенения

 

Анализ параметров адиабатного воспламенения удобнее  производить в безразмерных величинах.

Безразмерная температура:

Безразмерная  концентрация:

Критерий Аррениуса (мера реакционной способности смеси):

Чем больше Аrr, тем труднее протекает реакция горения смеси.

Безразмерное время:

 

4.1 Определение  основных параметров адиабатного  воспламенения и

горения газовой  смеси, при постоянном объеме.

 

Безразмерная температура для изохорного процесса, определяется по формуле:

,

где: Т_о - начальная температура газовой смеси Т₀=450К

Т_А - адиабатная температура горения газовой смеси, при постоянном объеме.

Т_А=2400+273=2673 К

Критерий Аррениуса, определяется по формуле:

где: Е-энергия  активации, принимается Е=124024, КДж/моль

R- универсальная газовая постоянная, КДж/мольК

Определяется  безразмерное время индукции адиабатного  теплового воспламенения.

где: - температура воспламенения в момент

Определяется  теплота в точке максимума  тепловыделения:

Безразмерные  величины переводятся в размерные:

Определяем  период горения (время резкого роста  температуры периода индукции):

а) безразмерный период:

 Dx_г = (1-q₀)/(1-q^*)*ехр(Arr/q^*) = (1- 0,168)/(1-0,865)*ехр(5,57/0,865) =            =3727,59;

б) реальный период:

      Dt_г = Dx_г/k₀ = 3727,59/5,58*10³² = 7,44*10^-30, с;

 

 

4.2 Определение  основных параметров адиабатного  воспламенения и

горения газовой смеси, при постоянном давлении.

 

Безразмерная  температура для изобарного процесса, определяется по формуле:

,

где: Т_о - начальная температура газовой смеси Т₀=450К

Т_А - адиабатная температура горения газовой смеси, при постоянном давлении

Т_А=2000+273=2273 К

Критерий Аррениуса, определяется по формуле:

где: Е-энергия  активации, принимается Е=124024, КДж/моль

R- универсальная газовая постоянная, КДж/мольК

Определяется  безразмерное время индукции адиабатного  теплового воспламенения.

где: - температура воспламенения в момент

Определяется  теплота в точке максимума  тепловыделения:

Безразмерные  величины переводятся в размерные:

Определяем  период горения (время резкого роста  температуры периода индукции):

а) безразмерный период:

     Dx_г = (1-q₀)/(1-q^*)∙ехр(Arr/q^*) = (1- 0,197)/(1-0,8815)∙ехр(6,56/0,8815) =            = 11402,45;

б) реальный период:

      Dt_г = Dx_г/k₀ = 11402,45/6,91*10³² = 1,901*10^-29, сек.

 

Предэкспонента  К₀, определяется по формуле:

 

где: R- универсальная газовая постоянная, КДж/мольК

Т₀-начальная температура смеси, К

Е- энергия активации  реакций метана в смеси с воздухом перед воспламенением, Е=124024, КДж/моль,

Т_А-аддиабатная температура горения газовой смеси, при постоянном объёме, или давлении,⁰К

Определяется  значение предэкспонента К₀ для изохорного процесса.

Определяется  значение предэкспонента К₀ для изобарного процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчёт  коэффициентов теплопроводности  и теплоотдачи

многокомпонентной газовой смеси.

 

5.1 Определение  коэффициентов теплопроводности.

 

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры смеси  выражается формулой Сазерленда, однако при достижении достаточно высоких  температур, условно можно принять: