Расчет горения природного газа

Определить количество воздуха, необходимого для горения 1 м природного газа следующего состава, %: СН4–72,4; С₂Н₆-4,7; С₃Н₈-7,3; C₄H_I0-6,7; С₅Н_]2-0,6; СО₂-2; N₂-6; H₂S – 0,3. Расчет горения газа производим в табличной форме с учетом различных значений коэффициента избытка воздуха а. Коэффициент избытка воздуха а = 1 используется для теоретического расчета расхода воздуха, необходимого для горения 1 кг или 1 м топлива; сц-коэффициент избытка воздуха в корне факела (#1=1,26); а₂ – коэффициент избытка воздуха на загрузочном конце печи (а₂=1,55). Теплота сгорания топлива (теплотворность): Q=358,2*72,4+637,5*4,7+912,5*7,3+l 186,5*6,7+1460,8*0,6=44417,21 кДж/нм³

Расчет горения природного газа представлен в таблице 1, расчет материального баланса в таблице 2.

 

Таблица 2. Расчет материального баланса

Приход	кг	%	Расход	кг	%
СН4=72,4	51,910	2,582	CO2	267,883	13,333
С2Нб=4,7	6,373	0,317	Н2О	181,302	9,023
С3Н8=7,3	14,746	0,733	N2	146,673	73,050
С4Н10=6,7	19,028	0,946	О2	91,456	4,552
С5Н12=0,6	1,930	0,096	SО2	0,877	0,049
СО2=2	3,954	0,196
N2=6	7,506	0,373
H2S=0,3	0,461	0,022
			Невязка: (100*0,778):2009,909 = 0,038%
воздух
О2	443,653	22,073		-0,778	0,038
N2	1460,348	72,657
итого	2009,909	100		2009,131	100

Зона термоподготовки

Приход сырца G, кг/ ч.

Расход:

· удаление влаги 0,091G, кг/ ч;

· унос пыли (1–0,091G)*0,08=0,072G, kг/ч.

Выход материала из зоны 1 – (0,091G+0,072G)=0,828G, кг/ч.

Зона обжига

Приход

· из зоны термоподготовки                       0,828G, кг/ ч;

· из циклонов зоны термоподготовки 0,072G*0,8=0,0576G, кг/ ч.

Всего 0,8856G, kг/ч;

Расход:

· Потери при прокаливании 0,8856G*0,12=0,1063G, кг/ч;

· унос мелких фракций песка 0,8856G*0,19=0,1683G, кг/ ч.

Всего                                                     0,2746G кг/ч.

Итого выход материала:

· из слива печи               0,8856G‑0,2746G=0,611G, кг/ч;

· из футерованного циклона 0,1683G*0,8=0,1346G кт/ч.

ВСЕГО                0,7456G кг/ч.

Производительность печи по сырцу

 

G =  кг/ч,

 

где П – производительность печи по керамзитовому песку, м³/год;

ρ_н – насыпная плотность керамзитового гравия, кг/м³

 

Т_ф = 365*24*0,91 = 7971,6 ч,

где 0,91 – коэффициент использования оборудования.

Определение рабочей скорости псевдоожижения

Зона термоподготовки

1. Эквивалентный диаметр зерен сырца.

 

где g_i – доля класса зерен по массе;

d_max – максимальный диаметр узкой фракции зерен сырца, определяемый по формуле:

 

= = 3,467 мм,

 

где d₁ и d₂ – условный диаметр зерна, определяемый по размеру отверстий сит, соответственно проходного и непроходного.

2. Критерий Архимеда

 

A_R =

 

где ρ_Т – плотность твердых частиц, кг/м³;

ρ_Г – плотность газов при заданной температуре, кг/м³

υ – кинематическая вязкость газа при заданной температуре, V*10⁶ м²/с

3. Критерий Рейнольдса

 

R_e =

 

4. Критическая скорость псевдоожижения при заданной температуре:

м/с

 

5. Критическая скорость, приведенная к условиям дутья:

 

 м/с

 

где Т₀ – температура воздуха, подаваемого в зону термоподготовки, ⁰ С;

Т – температура в зоне термоподготовки, ⁰ С.

6. Рабочая скорость газов в зоне термоподготовки:

 

 м/с,

 

где m – число псевдоожижения; для зон термоподготовки и охлаждения 2…2,5;

для зоны обжига 2,5…3,5.

Зона обжига

1. Эквивалентный диаметр зерен песка.

 

 

2. Критерий Архимеда

 

A_R =

 

3. Критерий Рейнольдса

 

R_e =

 

4. Критическая скорость псевдоожижения при заданной температуре:

 

м/с

 

5. Критическая скорость, приведенная к условиям дутья:

 

 м/с

 

6. Рабочая скорость газов в зоне обжига:

 

 м/с,

 

Холодильник

1. Критерий Архимеда

 

A_R =

 

2. Критерий Рейнольдса

R_e =

 

3. Критическая скорость псевдоожижения при заданной температуре:

 

м/с

 

4. Критическая скорость, приведенная к условиям дутья:

 

 м/с

 

5. Рабочая скорость газов в холодильнике:

 

 м/с,

Тепловой баланс

Зона обжига

Приход тепла

1. С материалом из зоны термоподготовки:

Q₁^п = 0,828G *C_c*t_M – 0.828G * 0,924 * 346= 264,715G кДж/ч,

где, t_M – температура материала, поступающего на обжиг из зоны термоподготовки;

С_с – удельная теплоемкость материала, поступающего на обжиг, равная 0,924

2. С воздухом, подаваемым в зону обжига:

Q₂^п = В*V_в⁰ *а₁*С_в*t_в = B * ll, 743 * 1,26 * 1,344 * 16 = 318,18 В кДж/ч,

 

где V _в ° – теоретический объем воздуха, необходимый для горения 1 м³ газа. Принят из расчета горения топлива для а= 1;

а₁ – коэффициент избытка воздуха, подаваемого на горение, равный 1,2… 1,3;

С_в – удельная теплоемкость воздуха, подаваемого на горение, равная 1,344 кДж/м³*К;

t_в – температура воздуха, подаваемого на горение, ° С.

З.С теплом от горения топлива:

 

Q₃^п = Q_н^с* В = 44417,21В кДж/ч.

 

4. С физическим теплом топлива:

 

Q₄^п = B*C_t*t_T = l, 358*16*B = 21,73В кДж/ч,

 

где t_T – температура топлива, подаваемого на горение, ° С;

Ст – удельная теплоемкость топлива при температуре 16 °С, определяемая по формуле:

С_Т = 4,2 (0,323 + 0,00008*t_T) = 4,2 (0,323 + 0,000018*16) = 1,358 кДж/м³*К.

Расход тепла

1. На нагрев материала до температуры вспучивания;

 

Q₁^р = 0.8856 G * С_с* t _обж = 0.8856 G * 0,924 * 1105 = 904,22G кДж/ч.

 

2. С отходящими дымовыми газами:

 

Q₂^р = В*V_дг*С_дг* t_дг=В*16,002*1,44* 1105=25462,38В кДж/ч,

где V_дг – объем дымовых газов, определяемый из расчета горения топлива для a ₁ = 1,26 м³;

t_дг – температура дымовых газов, ⁰ С;

С_дг – удельная теплоемкость дымовых газов при температуре 1105 °С, определяемая по формуле:

С_дг=4,2 (0,323+0,000018*t_дг) = 4,2 (0,323*0,000018*1105)=1,44 кДж/м³*К.

3. На диссоциацию СаСО₃:

 

Q₃^р = , кДж/ч

 

где  – потери СО₂ при диссоциации СаСО₃, %;

1587,6 – эндотермический эффект от декарбонизации СаСО₃, кДж/кг

4. На диссоциацию MgC0₃:

 

Q₄^р = , кДж/кг

 

где - потери при диссоциации MgCO₃, %;

1318,8 – эндотермический эффект от декарбонизации MgCO3, кДж/кг.

5. На дегидратацию глинистых минералов:

 

Q₅^р = , кДж/кг

 

где G_H2O – потери гидратной воды, %;

6720 – эндотермический эффект дегидратации глинистых минералов, кДж/кг.

6. На плавление силикатной массы Q₆^p= 0,828G* 315= 260,82G кДж/ч,

где 315 ‑ удельный расход тепла на образование стекловидной фазы, отнесенный к 1 кг обожженного песка, кДж / кг.

Уравнение теплового баланса

При составлении уравнения теплового баланса учитываем потери в окружающую среду, которые принимаем равными 100% от общего количества прихода тепла. Решая это уравнение, находим объем газа, подаваемого в зону обжига на горение.

 

0,9 (Q₁^п + … +Q₄^п) = Q₁^p+ … + Q₆^p;

 

0,9 (264,715G + 318,18В + 44417,21В + 21,73B)=904,22G + 25462,38В + 23,35G + 40,30G + 171,44G + 260,82G

где G – производительность печи по сырцу. равная 4297,06 кг/г;

откуда расход газа составит: В=336,9 мЗ/ч

Отходящие из зоны обжига дымовые газы имеют температуру 1100 С поэтому перед подачей в футерованный циклон их требуется разбавить холодным воздухом. Принимаем температуру смеси газов и воздуха t_см = 571 °С и определяем объем холодного воздуха, необходимого для разбавления.

7. Объем холодного воздуха для разбавления 1 м³ дымовых газов:

 

С_дг* t_дг+ V_хв* С_хв* t_хв = (1+V_хв)* С_см* t_см, м³

 

где V_XB - объем холодного воздуха, м;

t _xв, – температура холодного воздуха, °С;

С_хв – удельная теплоемкость холодного воздуха, равная 1,344 кДж/ м³*К;

T_дг – температура отходящих дымовых газов, °С;

С_см – удельная емкость смеси при температуре 600 °С, определяемая по формуле:

С_см = 4,2 (0,323 + 0.000018*571) – 1,4 кДж/м³*К, тогда

1,44* 1105 +V_хл,* 1,344*16 = (1+V_хв)* 1,4*571,

откуда V_хв= 1,018 м³

8. Часовой выход дымовых газов:

 

V_дг^х = а₁* V_дг^т * В = 1,26*12,949*336,9=5496,77

 

где V_дг^т – объем дымовых газов_эопределяемый из расчета горения топлива для а=1;

а₁ – коэффициент избытка воздуха, равный 1,26.

9. Объем воздуха, подаваемого в зону обжига:
 V^oбж = V_в^т * a₁ * B = 11,743*1,26*336,9=4984,8 м³/ч,

где V_a – теоретический объем воздуха, необходимый для горения 1 м³ газа. Определяется из расчета горения топлива при а=1.

10. Часовой расход воздуха на разбавление дымовых газов:

 

Vхв*=Vдгх * Vхв = 5496,77*1,018 = 5595,71 м3/ч.

 

 

11. Часовой выход дымовых газов после разбавления:

 

V_дг^р = V_дг^х *(V_хв+1) = 5496,77*(1,018+1) = 11092,48 м7 ч.

Зона термоподготовки

Приход тепла

1. С сырцом:

 

Q₁^п = G * С_с * t_c =G *5,132*16 – 82,112 G кДж /ч,

 

где t_c – температура сырца,

2. С дымовыми газами, разбавленными холодным воздухом:

 

Q₂^п = V_дг^р * С_см * t_см = 11092,48*1,4*571 = 8867328,5 кДж /ч.

 

3. С пылью из футерованного циклона:

 

Q₃^п = 0,072G * С_п * t_п = 0,072G * 1,027 * 571 = 42,22 G кДж /ч,

 

где t_п – температура пыли, °С;

Расход тепла

1. На испарение влаги и перегрев пара:

 

Q₁^р = 0,01G * r + 0,01G * C(t_тп – 418) = 249,9G + 0,196Gt_тп – 81,93G кДж/ч,

 

где С – теплоемкость водяного пара, при температуре термоподготовки 1,96 кДж / кг*К;

r – скрытая теплота парообразования, равная 2499 кДж / кг;

t _тп. – температура термоподготовки материала, °С.

2. С выходом материала из зоны термоподготовки:

 

Q₂^P = 0,828G *C_с* t_тп = 0,8372G * 0,924 * t_тп = 0,7650Gt_тп кДж /ч.

 

3. На нагрев пыли, поступающей в циклоны зоны термоподготовки:

 

Q₃^P = 0,0576G * С_п * t_тп = 0,0576G * 0,924 * t_тп = 0,0532Gt_тп кДж /ч.

 

4. С отходящими дымовыми газами из зоны термоподготовки

 

Q₄^P= V^р_дг * C_cv t_тп=11092,48 * 1,4 * t_тп = 15529,47 t_тп кДж /ч.

Уравнение теплового баланса

Потери тепла в окружающую среду принимаем равными 10% от общего количества прихода тепла. Решая уравнение теплового баланса, определяем допустимую температуру термоподготовки t_тп.

 

0,9 (Q₁^п+Q₂^п+Q₃^п) = Q₁^р+Q₂^p+Q₃^р+Q₄^р

 

0,9 (82,112G +8867328,5+42,22G)=249,9G+0,1960t_тп – 81,93G+0,765Gt_тп+0,0532Gt_тп+15529,47t_тп

Подставляя численное значение G, находим t_тп =389,17 что является технологически допустимым.

5. Общий объем газов, подаваемых в зону термоподготовки:
V_гтп= V_дг^р=11092,48

6. Удельный расход тепла на производство 1 кг керамзитового песка:

 

q=  кДж/ч

 

Холодильник

Приход тепла

1. С материалом из зоны обжига:

 

Q₁^п=0,611G*C_кп*t_обж = 0.611G* 1,2* 1105 = 810,19G кДж/ч, где t_обж – температура обжига, С;

 

С_кп – удельная теплоемкость керамзитового песка при температуре 1105 С:

С_кп =0,84 (1+0,00039 * 1105) = 1,2 кДж/кг*К,

2. С воздухом, подаваемым на псевдоожижение:

Q₂^п =V_хол* С_в * t_в= V_хол *1,344*16=21,504 V_хол

 

Расход тепла

1. С песком, выходящим из холодильника:

 

Q₁^п=0,611G* С_кп* t_кп = 0,611G *1,0149*534=331,135 G кДж/ч

 

где t_кп – температура керамзитового песка, выходящего из холодильника, °С;

С_кп – удельная теплоемкость керамзитового песка при температуре 534 °С.

С_кп = 0,84 (1+0,00039*534)= 1.0149 кДж/кг*К.

2. С уходящим воздухом:

 

Q₂^P – V_хол * С_в * t_y._в. = V_хол * 1,344 * 534 = 717,696 V_хол кДж /ч.

 

Уравнение теплового баланса

Потери тепла в окружающую среду принимаем равными 10% от общего количества прихода тепла. Решая уравнение теплового баланса, определяем объем холодного воздуха, подаваемого в холодильник:

 

0,9 (Q₁^п + Q₂^п) =Q₁^р+ Q₂^р

 

0,9 (810,19G + 21,504 V_хол)=331,135+717,696 V_хол;

подставляя численное значение G=4297,06 кг/г, находим: V_хол = 2456,77 м³/ч.

Определение размеров поперечного сечения зон печи

Площадь поперечного сечения и диаметр каждой зоны установки определяются исходя из рассчитанной ранее рабочей скорости псевдоожижения и объема воздуха или газов. Расчет поперечного сечения каждой зоны производится по формуле:

 

F=V/3600ω_p

 

где V – объем воздуха или газов, подаваемых в зону, м³/ч

ω_p – рабочая скорость газов в зоне, м/с

Зона термоподготовки

1. Поперечное сечение: F= м

2. Диаметр: d_m.n.= м

Зона обжига

1. Поперечное сечение: F= м

2. Диаметр: d_обж.= м

Холодильник

1. Поперечное сечение: F= м

Диаметр: d_m.n.= м