Расчёт процесса горения топлива

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Национальный  минерально-сырьевой университет «Горный»

 

 

Кафедра ПТПЭ

 

По дисциплине :                           Теория и практика теплогенерации

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Тема :                                   «Расчёт процесса горения топлива»

 

 

         Выполнил:   студент гр. ЭП-09                    ________                 /Плетнёв М.С./

                                                        (подпись)                       (Ф.И.О.)

 

Проверил:   Доцент                                       __________              /Зырянова О.В./                                                           (подпись)                       (Ф.И.О.)

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Аннотация.

В данном курсовом проекте рассматривается одна из важнейших и обязательных составных  частей расчёта металлургических печей  – расчёт горения углеродистого  топлива.

Целью работы является определение количества, состава, плотность и энтальпию продуктов сгорания, свободной энергии Гиббса реакции горения серы в интервале температур 298 – 2000К.

Исходными данными для расчёта являются вид топлива, коэффициент расхода  воздуха  и температуры подогрева топлива и воздуха.

Для наглядного отображения графических результатов  использован процессор MS Excel. Отчет оформлен в Microsoft Word.

            Объем курсового проекта – 20 страниц, рисунков –2.

 

 

THE SUMMARY

In the given course design one of major and obligatory constituents of calculation of metallurgical furnaces - calculation of burning of carbonaceous combustible is considered.

The purpose of operation is the definition of an amount, composition, density and enthalpy of products of combustion, free energy of the Gibbs of a response of burning of silicon in an interval of temperatures 298 – 2000K.

Input datas for calculation are an aspect of combustible, orifice coefficient of air both temperature of preheating of combustible and air.

For the evident image of graphic results editor MS Excel is used. The report is presented in Microsoft Word.

               Volume of the course design - 20 pages, pictures -2.

 

Оглавление.

Введение. 4

Краткие теоретические сведения по курсовому проекту. 5

Топливо и его характеристики. 5

Классификация различных видов органического топлива. 6

Теплотехническая оценка элементов, входящих в состав топлива. 6

Основные характеристики мазута как топлива. 8

Процесс горения жидкого топлива 9

Расчет процесса горения мазута. 11

Пересчёт состава топлива на рабочую массу. 12

Количество продуктов горения. 12

Определение состава и плотности продуктов сгорания. 13

Материальный баланс. 13

Определение теоретической и балансовой температуры горения. 13

Заключение. 15

Список использованной литературы. 17

 

 

Введение.

Темой данного  курсового проекта является расчёт процесса горения топлива, что является одной из важнейших задач современной  металлургической промышленности, так как зачастую основным источником тепловой энергии для металлургических печей является топливо. Наибольшее значение для промышленности имеет углеродистое топливо, так как углерод является основным горючим элементом топлива, хотя, кроме углеродистых видов топлива, тепловую энергию можно получить также при окислении сульфидных материалов, элементарной серы, железа и других материалов.

Расчёт  горения углеродистого топлива  – одна из важнейших и обязательных составных частей расчёта металлургических печей. В задачи расчета горения  входит определение следующих показателей: количества воздуха, необходимого для  процесса горения, состава и количества газообразных продуктов горения, плотностей продуктов горения, теплотворности топлива, а также энтальпий продуктов сгорания. Горение топлива, как правило, рассчитывают аналитическим и графическим методом, причем наиболее точен аналитический метод.  Графический метод позволяет быстрее получить результаты расчёта, но они приближенные.

В данном проекте в качестве топлива используется мазут.

 

Краткие теоретические  сведения по курсовому проекту.

Топливо и его  характеристики.

 

Топливом  называется вещество, которое при  нагревании в присутствии кислорода  активно окисляется (сгорает) с выделением значительного количества тепла. Ко всем видам топлива предъявляются  следующие требования:

1. Значительные запасы и доступная добыча.
2. Продукты сгорания должны легко удаляться из зоны горения и быть экологически безвредными.
3. Топливо должно легко возгораться и содержать по возможности мало негорючих материалов.
4. Процесс горения топлива должен быть управляем.

К основным свойствам топлива относят: химический состав топлива, теплотворную способность, а также калориметрическую температуру горения. Рассмотрим эти характеристики подробнее.

Свойства  топлива как горючего материала  определяются его составом. По химическому составу различные виды топлива значительно различаются, но в основном топливо содержит углерод, водород, азот, кислород, серу, а также кроме перечисленных элементов, в нём присутствуют минеральный включения, образующие золу и воду. Важнейшая составляющая часть топлива – углерод. Азот, кислород и связанный с ним водород являются балластом топлива и чем их больше, тем хуже считается состав топлива и его энергетическая характеристика. Наличие влаги в топливе также снижает его качество. Чтобы установить состав топлива, проводят технический и химический (элементарный) анализ топлива. При техническом анализе определяют содержание влаги, летучих и минеральных веществ. Химический анализ топлива можно выполнить по элементарному составу ( , , , , ), а также можно определить содержание в топливе отдельных химических соединений ( и др.).  Первый метод применяют для твердого к жидкого топлива, второй для газообразного топлива.

Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива, измеряется в Дж/кг, либо в Дж/м³. Теплотворность зависит от состава топлива, поэтому понижение содержания в нём горючих элементов – водорода и углерода – снижает теплотворную способность топлива.

Калориметрической температурой горения топлива называется та максимальная температура, до которой нагрелись бы продукты горения при условии, что сжигание велось бы с теоретическим количеством воздуха и всё полученное тепло полностью пошло только на нагрев продуктов полного горения.

Практически калориметрическая  температура горения топлива  недостижима, так как часть тепловой энергии всегда расходуется на диссоциацию  продуктов горения, что особенно заметно при высоких температурах.

Углеродистое топливо  представляет ценнейшее сырьё, позволяющее  вырабатывать из него большое количество разнообразных химических продуктов. Применение в печах высококачественного  топлива обеспечивает высокую производительность, экономичную работу металлургических печей, хорошее качество получаемых металлов, сплавов и полупродуктов, а также сокращение выбросов вредных веществ. Выбор того или иного вида топлива для печи определяется требованиями технологического процесса, условиями оптимального теплового режима и экономическими показателями.

Классификация различных видов органического топлива.

 

Органическое  топливо по происхождению подразделяют на природное (естественное) и искусственное, а по агрегатному состоянию при обычных условиях - на твердое, жидкое и газообразное. К примеру: жидким природным топливом является нефть, а искусственным - продукты ее переработки: мазут, дизельное топливо, бензин и другие.

Кроме того, топливо по назначению и способу  использования подразделяется на энергетическое в технологическое.

К энергетическим видам топлива относятся те виды, которые являются главным образом источником тепловой энергии.

К технологическим видам топлива относят топливо, которое является не только источником тепловой энергии, но и используются как компонент технологического процесса.

Теплотехническая  оценка элементов, входящих в состав топлива.

Как уже было упомянуто выше, углерод является основным горючий элементом топлива. Его содержание на горючею массу составляет: в древесине и торфе 50-65%, в бурых углях 67-72%, в каменных углях 76-90% и в антрацитах 92-94%, то есть с увеличением геологического возраста твердого топлива содержание в нем углерода повышается. Состав жидких нефтяных видов топлива является достаточно стабильным и содержание в них углерода на горючею массу колеблется в узких пределах 86-87%.

Углерод характеризуется  высокий удельным тепловыделением. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется примерно 33600 кДж теплоты. Следовательно, можно сказать, что углерод по существу определяет тепловую ценность топлива.

Водород, как уже упоминалось ранее, является вторым важнейшим горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу обычно составляет: в древесине и торфе 6,0-6,5 % , в бурых углях около 5,0 %, в каменных углях 4,0-5,5 % и в антрацитах 1,5-2,5 %. В жидких нефтяных видах топлива содержание водорода значительно выше и на горючую массу составляет 10-12 %. Тепловая ценность водорода почта в четыре раза выше тепловой ценности углерода. При полном сгорании 1 кг водорода и конденсации продуктов сгорания выделяется примерно 141500 кДж тепла, 
без учета конденсации водяных паров 119000 кДж.

Сера, как  уже было отмечено раньше, является третьим, весьма нежелательным, горючим  элементом топлива. В общем случае сера, входящая в состав топлива, состоит из серы органической ( ), находящейся в топливе в виде органических соединений, серы колчеданной ( ), входящей в состав топлива в виде колчедана ( ), а также серы сульфатной ( ), находящейся в топливе в виде, например, гипса ( ). Сера органическая и колчеданная образуют серу горючую (летучую) . Сульфатная же сера не горит, и помимо этого в элементарном составе топлива включается в золу. Содержание серы в различных видах топлива колеблется от 0 до нескольких %. При полном сгорании 1 кг серы летучей выделяется 9000 кДж тепла.

При горении  серосодержащего топлива в промышленные топливосжигающйх устройствах (печах, котлах, газотурбинных установках и др.) наряду о сернистым газом ( ) образуется незначительное количество серного ангидрида ( ). Наличие последнего в газообразных продуктах сгорания при определённых условиях вызывает сернокислотную, то есть низкотемпературную, коррозию металла, из которого изготовлено оборудование. Кроме этого также следует отметить, что продукты сгорания серы вызывают загрязнение атмосферы. Исходя из всего вышеперечисленного можно сказать, что сера является нежелательной примесью, снижающей теплотехническую цепкость топлива.

Кислород  и азот являются нежелательными элементами топлива, так как наличие их в составе топлива снижает содержание горючих элементов. Кислород, кроме того, связывает часть горючих элементов топлива, обесценивает его. Азот в составе топлива способствует образованию в газообразных продуктах сгорания окислов азота, обладающих высокой токсичностью, значительно превышающей токсичность окислов серы. Кислород и азот принято называть внутренним балластом топливо. В жидких нефтяных видах топлива содержание кислорода и азота, как правило, обычно незначительно и в сумме ( ) составляет 0,50-1,75 %. В различных видах твёрдого топлива содержание кислорода и азота может быть значительно больше.

Зола представляет собой смесь различных минеральных  веществ, которые остаются после полного сгорания горючей часта топлива. Содержание золы обычно дается на сухую массу. Зольность жидких видов топлива нормируется ГОСТами и по своему значению обычно невелика. Например, для дизельного топлива   не более 0,02 %, для 
топочных мазутов не более 0,30 %. В твердых топливах содержание золы может достигать значительных величин (до 30 % и более на сухую массу). Зола является внешним балластом топлива. Она, снижает содержание горючей части топлива, вызывает дополнительные затраты на его добычу и транспортировку. Она может вызывать эрозивный износ элементов оборудования. Содержание ванадия в золе жидких нефтяных топлив может при определенных температурных условиях привести к ванадиевой, также называемой высокотемпературной коррозии металла. Наличие солей натрия, окислов железа в золе различных видов жидкого нефтяного топлива оказывает каталитическое действие на протекание сернокислой низкотемпературной коррозия металла.

Влага, как уже упоминалось, относится к внешнему балласту топлива. Наличие её (так же, как кислорода и азота) уменьшает содержание горючей части топлива. Это естественно снижает тепловую ценность топлива, а также увеличивает расходы на его транспортировку. Влага, кроме того, снижет полезное тепловидение топлива поскольку часть тепла при горении расходуется на превращение её в пар. Это ведёт также к понижению температурного уровня в зоне горения и ухудшает условия теплообмена.

Основные характеристики мазута как топлива.

Мазут - это остаток после отгона от нефти  бензина, лигроина, керосина и фракций  дизельного топлива. Мазут считается  хорошим видом топлива, его обычно применяют для отопления тех металлургических печей, которые требуют для своей работы высококачественного топлива. К этим печам в первую очередь, относятся высокотемпературные плавильные рафинировочные печи, выдающие металлы в готовом виде: сталь, медь, никель, олово, цинк и другие.