Количество воздуха для сжигания природного газа: пример расчета

Расчет выбросов от котельной на природном газе. Образец

Расчет выбросов от котельной на природном газе представлен на конкретном примере водогрейного котла Compact-CA-200 водогрейный. Указанный расчет может пригодится для расчета нормативов допустимых выбросов.

Постепенно в этой статье появятся и расчеты выбросов от котельных, оборудованных другими марками котлов.

Исходные данные:

Вид топлива: природный газ, низшая теплота сгорания: 34.37МДж/м3 Время работы: 5640 часов в год. Расход: за год – 90 тыс. м3; часовой- 0.0795 тыс. м3; секундный -0.02208м3/сек

Котел:Compact-CA-200 водогрейный. Количество в работе: 3. Тип горелки : 3 / двухступенчатого сжигания. Рециркуляция дымовых газов (тип):1 отсутствует. Степень рециркуляции (%) r = 0. Подогрев воздуха:отсутствует tп =20. Наличие режимной карты: есть. Ступенчатый ввод воздуха или доля воздуха, подаваемая помимо горелок (%) δ= 0. Нагрузка котла – принимается равной : 0.9. Объем топочной камеры : 0.179м3. Теплонапряжение топочного объема : 1413кВт/м3. Коэффициент избытка воздуха : 1.3.

Расчет объема дымовых газов, выделяющихся при сжигании природного газа при избытке воздуха в зоне горения,производится по формуле: Vсг = Vr + (α – 1) * V – Vв

Значения Vr, V, Vв берутся из таблицы 32 для газопровода Серпухов-Ленинград <1>.

Vr =11.22 V =10 Vв =2.21 Vсг =12.010м3/м3

Расчет выбросов загрязняющих веществ.

Оксид углерода.

Расчет проводится по формулам 38, 39 <1><3>:

Мсо = q3 * R * Qi * B * (1 – q4 / 100) * Кп

q3 – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, (%) = 0.2,

q4 – потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива, (%) = 0,

R – коэффициент, для газа =0.5,

Qi – низшая теплота сгорания топлива, (Мдж/м3),

В – расход топлива, (тыс.м3/год, м3/сек),

Кп – коэффициент пересчета: при расчете выбросов в г/сек Кп = 1 при расчете выбросов в т/год Кп = 0.001.

Мсо = 0.076 г/сек

Мсо =0.30933 т/год.

Оксиды азота.

Расчет суммарного количества проводится по формуле 14 <1>:

М(Nox) = Bр * Qi * K * βk * βt * βα * (1 – βr) * (1 – β) * Кп

Вр – расчетный расход топлива, м3/сек (тыс.м3/год): при работе котла с режимной картой может быть принято Вр=В – фактическому расходу топлива на котел;

К – удельный выброс оксидов азота при сжигании газа, (г/МДж): для водогрейных котлов:

К = 0,0113 * √Qт + 0,03 (формула 16 <1>);

Qт – фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу, (МВт):

определяется по формуле 17 <1>: Qт = Вр * Qi =0.76

для расчетов т/год Qт = 0.15; Для расчетов г/сек К = 0.0398, для расчетов т/год К = 0.0344

βк – безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки,

для данного типа горелки βк =0.7 βt – безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемому для горения, = 1;

βα- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота: βα =1;

βr – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота: βr = 0,16*√r =0 (формула 21 <1>);

β – безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру: β = 0,022 * δ =0 (формула 22 <1>);

Кп – коэффициент пересчета: при расчете выбросов в г/сек: Кп = 1 при расчете выбросов в т/год: Кп = 0.001.

М(NOx)= 0.0212 г/сек М(NOx)=0.07451т/год

В связи с установленными раздельными ПДК для оксида и диоксида азота с учетом трансформации оксида азота в атмосферном воздухе суммарные выбросы оксидов азота разделяются на составляющие:

M(NO2) = 0,8 * M(NOx) (формула 12 <1>)

M(NO) = (1-0,8) * M(NOx) *µ(NO) / µ(NO2) = 0,13 * M(NOx) (формула 13 <1>)

M(NO2)= 0.017 г/сек М(NO2)=0.05961т/год M(NO)= 0.003 г/сек М(NO)=0.009686т/год

Бенз(а)пирен.

Расчет проводится по формуле 53 <1>:

Сбп = 0,000001 * R * (0,13 * q – 5) * Кд * Кр * Кст /[1,3 * e^(3,5 *(α-1))]

q – теплонапряжение топочного объема, кВТ/м3;

Кр – коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания = 1;

Кд – коэффициент, учитывающий влияние нагрузки котла на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания = 1.25;

Кст- коэффициент, учитывающий влияние ступенчатого сжигания на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания – коэффициент, для газа = 1.

Сбп =1.8E-04мг/м3

Суммарное количество бенз(а)пирена (г/сек, т/год) рассчитывается по уравнению 1 <1>:

Мбп = Сбп’ * V * B * Кп

Кп – коэффициент пересчета: при расчете выбросов в г/сек Кп = 0.000278 при расчете выбросов в т/год Кп = 0.000001

Сбп’ = Сбп* α /1,4 =1.7E-04

Мбп=4.4E-08г/сек Мбп=1.8E-07т/год

Литература:

1. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час, Москва, 1999;
2. Методическое письмо НИИ Атмосфера №335/33-07 от 17 мая 2000 г. “О проведении расчетов выбросов вредных веществ в атмосферу по “Методике определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу”, Санкт-Петербург,2000;
3. Изменения к методическому письму НИИ АТМОСФЕРА №335/33-07, 11.09.2001.

Таким образом, по указанному образцу расчета выбросов, образующихся от эксплуатации котельной, работающей на природном газе, используя вышеперечисленную литературу – вы сможете сделать расчет выбросов ЗВ от вашей котельной.

Количество воздуха для сжигания природного газа: пример расчета

Рассмотрим порядок расчета на примере горения бензола С₆Н₆.

· Запишем уравнение реакции горения:

· В это уравнение подставим значения относительных молекулярных масс входящих в него элементов:

6 × 12+6 × 1+7.5(2∙16)=6(1∙12+2 × 16)+3(1 × 2+1∙16).

Поскольку молярная масса M (кг/кмоль) вещества численно совпадает с его относительной молекулярной массой, последнее соотношение можно записать в виде:

Таким образом, для сжигания 78 кг бензола C ₆ H ₆ необходимо 240 кг кислорода.

· Определим массу кислорода m _к, необходимую для сжигания 1 кг бензола:

кг.

· По известной плотности кислорода при нормальных физических условиях ( r _н=1.429 кг/м 3 ), взятой из табл. 4.1, определим объем кислорода V _к, необходимый для полного сгорания 1 кг бензола:

.

· Поскольку горение происходит в среде воздуха, расчет объема воздуха проведем с учетом объемного содержания кислорода в воздухе (21 %):

Таким образом, для полного сгорания 1 кг бензола при нормальных физических условиях необходимо 10.262 м 3 воздуха.

· Проведем расчет объема воздуха при заданных условиях (например, при Т=+20 ° С (293 К), р=750 мм Hg ) с помощью формулы 4.6:

м 3 .

Таким образом, для полного сгорания 1 кг бензола при заданных условиях необходимый объем воздуха составляет V _в=11.16 м 3 .

Горючее вещество – смесь газов

К этой группе веществ относятся технические горючие газы – природный, светильный, водяной, генераторный, колошниковый и другие. Все они могут содержать окись углерода СО, метан СН₄, водород Н₂, сероводород Н₂ S и другие компоненты. Кроме того, они могут содержать азот N ₂ и кислород О₂. Азот, как было отмечено ранее, является инертным веществом и не участвует в реакции горения. Содержащийся в газах кислород является окислителем, и при составлении уравнений баланса массы вычитается.

Исходными данными для расчета являются процентный состав газа (объем. %), температура Т и давление р воздуха.

Порядок расчета необходимого количества воздуха рассмотрим на примере горения колошникового газа при Т=+15 ° С, р=760 мм Hg . Состав газа и плотности входящих в него компонентов при нормальных физических условиях приведены в табл. 4.5.

Состав колошникового газа

Содержание, объем. %

r , кг/м 3

· Запишем уравнения реакций горения входящих в смесь газов.

Горение угарного газа:

Азот N ₂ является инертным веществом, а углекислый газ СО₂ – продуктом полного горения, поэтому для них уравнения химических реакций не записываются.

· Подставим в эти уравнения молекулярные массы входящих в них элементов.

Для горения метана:

Для горения водорода:

Для горения угарного газа:

· Определим массу кислорода, необходимую для полного сгорания 1 кг каждого из компонентов смеси.

Для горения метана: .

Для горения водорода: .

Для горения угарного газа: .

· Определим объем кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м 3 каждого из компонентов смеси по формуле

,

где , – плотность кислорода и i -го компонента газовой смеси.

Для горения метана: .

Для горения водорода: .

Для горения угарного газа: .

· Определим общий объем кислорода, необходимый для полного сгорания 1 м 3 колошникового газа по формуле:

. (4.7)

Кислород, содержащийся в составе смеси (1 объем.%), частично замещает кислород воздуха при горении, поэтому в уравнении берется со знаком «минус».

Подставляя в (4.7) значения , , , , получим:

.

· Определим требуемое количество воздуха при нормальных физических условиях (с учетом того, что на 1 м 3 кислорода приходится 4.762 м 3 воздуха):

.

· Проведем расчет объема воздуха при заданных условиях (Т=+15 ° С, p =760 мм Hg ):

.

Таким образом, для полного сгорания 1 м 3 колошникового газа в рассматриваемых условиях необходимо 0.728 м 3 воздуха. Определяемое таким образом количество воздуха называется теоретически необходимым. Практически при горении на пожарах и в горелочных устройствах различного типа, реальный расход воздуха значительно больше. Отношение реального расхода воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха. В печах, камерах сгорания и других технических устройствах коэффициент избытка воздуха a =1.1÷1.5, при пожарах эта величина может быть существенно больше и достигать значений a> 2.

Горючее вещество – смесь сложных химических соединений

Многие горючие вещества являются сложными химическими соединениями или смесями, которые трудно или невозможно описать определенной химической формулой (например, черный порох, твердые ракетные топлива, древесина, торф, уголь, нефтепродукты и т.д.). Это, как правило, твердые или жидкие топлива. Элементарный состав таких топлив записывается в виде эквивалентной формулы или суммы содержания в них элементарных веществ (масс. %) –углерода, водорода, кислорода, серы, азота.

Определение элементарного состава вещества производится лабораторным анализом. Если в состав топлива входит влага W (вода) и зола А (негорючие вещества), то элементарный состав записывается с учетом этих компонентов.

В качестве примера рассмотрим торф, содержание отдельных элементов в котором приведено в табл. 4.6.

Энергия-СПБ

Категории

• Водогрейные котлы
• Паровые котлы
• Топки
• Батарейные циклоны
• Модульные котельные
• Циклоны
• Комплектующие
• Дымососы
• Нет категории
• Колосники
• Топливоподача
• Золоуловители
• Котловая автоматика
• Трубы котлов
• Дымовые трубы
• Водоподготовка
• Забрасыватель
• Электроды
• Паровые котельные
• Резервуары
• Скиповые подъемники

ГлавнаяКниги о котлахТеплотехника – Н.Н. ЛариковРасход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива

Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива

Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива

Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива рассчитывают по стехиометрическим уравнениям горения, которые записывают для 1 км для каждой горючей составляющей.

Теоретический и действительный расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива. Стехиометрические уравнения горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид:

12 кг С + 32 кг О₂ = 44 КГ СО₂;

1 кг С + (32 : 12) кг O₂ = (44 : 12) кг СO₂ (18.21)

32 кг S + 32 кг O₂ = 64 кг SO₂;

1 кг S + 1 кг O₂ = 2 кг SO₂; (18.22)

В топливе находится С р /100 кг углерода, S р /_л 100 кг летучей серы, Н р /100 кг водорода и О р /100 кг кислорода. Следовательно, суммарный расход кислорода, необходимого для горения 1 кг топлива, по стехиометрическим уравнениям будет равен:

Массовая доля кислорода в воздухе равна 0,232. Тогда массовое количество воздуха определяют из формулы:

При нормальных условиях плотность воздуха р = 1,293 кг/м 3 .

Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива легко рассчитать как:

V = M 0 /1,293 м 3 воздуха/кг топлива.(18.26)

V = 0,0889 (С р + 0,375S p / _л ) + 0,265Н р – 0,033О р (18.27)

Для газообразного топлива расход V 0 определяют, исходя из объемных долей горючих компонентов, входящих в состав газа, с использованием стехиометрических реакций:

Теоретическое количество воздуха, м 3 /м 3 , необходимого для сжигания газа, определяют по формуле:

Объемную концентрацию компонентов, %, подставляют в уравнение (18.29). Если данных о концентрации непредельных углеводородов нет, считают, что они состоят из С₂Н₄.

Количество воздуха V_n, рассчитываемого по стехиометрическим уравнениям (18.27) и (18.29), называется теоретически необходимым, т. е. величина V 0 представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1 м 3 ) топлива при условии, что весь кислород в нем и кислород, содержащийся в топливе, будут использованы при горении.

Из-за определенных трудностей в организации процесса полного перемешивания топлива с воздухом в рабочем объеме топок могут появиться области, где будет ощущаться местный недостаток или избыток окислителя. В результате этого качествои и расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива ухудшается. Поэтому в реальных условиях воздух для горения топлива подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством V 0 . Отношение действительного количества воздуха, подаваемого в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:

При проектировании и тепловом расчете топок или других камер сгорания значение а выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, способа сжигания и конструктивных особенностей топочных камер. Значение а колеблется в пределах 1,02 – 1,5.

Состав и количество продуктов полного сгорания топлива. Продукты полного сгорания топлива при α = 1 содержат: сухие (неконденсирующиеся в котельном агрегате) трехатомные газы СO₂ и SO₂;

Н₂O – водяной пар, полученный при горении водорода; N₂ – азот топлива и азот, находящийся в теоретически необходимом количестве воздуха.

Кроме того, в состав продуктов сгорания входят водяной пар, получающийся при испарении влаги топлива, пар, вносимый в топку с влажным воздухом, и пар, используемый иногда при сжигании мазута для распыления. При температуре продуктов сгорания ниже температуры точки росы водяной пар конденсируется. При полном горении с α = 1 в продуктах сгорания будут содержаться только СO₂, SO₂, Н₂O и N₂; если α > 1, то в них будет присутствовать и избыточный воздух, т. е. дополнительное количество кислорода и азота.

Процентное содержание соответствующих газов по объему обозначим через СO₂, N₂,SO₂ и т. д. , а через V_со2, V_so2, V_n2, и т.д. – их объемы, получающиеся при сжигании 1 кг (1 м 3 ) топлива, приведенные к нормальным условиям (индекс 0 показывает, что расчеты производятся при α = 1). Тогда получим:

Где V _o /_r – суммарный объем продуктов сгорания, приведенный к нормальным условиям, м 3 /кг.

Для упрощения расчетов объемы сухих трехатомных газов подсчитывают совместно и сумму их условно обозначают символом RO₂, т. е.

Сумма первых трех компонентов в равенстве (18.31) представляет собой объем сухих газов V_с.p и, следовательно,

Величины V 0 _N2, V 0 _Н2О, V 0 _c.r, V 0 и V_ro2 – это теоретические объемы газов при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива.В соответствии с уравнениями (18.21) и (18.22) масса трехатомных газов равна:

Плотности двуокиси углерода и сернистого газа, приведенные к нормальным условиям, соответственно равны р_со2 = 1,964 кг/м ₃ и P _so2 = 2,86 кг/м ₃ . Тогда объем трехатомных газов V _RO2 можно определить по формуле:

Теоретический объем водяных паров, образующихся при горении водорода V r _H2O, определяем в соответствии с уравнением (18.23). К этому объему необходимо добавить объем пара, образующегося при испарении влаги топлива V r _H2O. объем форсуночного пара V ф _H2O и объем водяного пара, содержащегося в воздухе V вз _Н2О тогда:

где 0,805 – плотность водяного пара при нормальных физических условиях, кг/м 3 ; W_ф – расход форсуночного пара (принимается W_ф = 0,3 ÷ 0,35 кг/кг),

d – влагосодержание воздуха (обычно принимается d = 13 г/м 3 ).

Полный теоретический объем водяные паров определяют по формуле:

V H₂O = 0,111Н р + 0,0124 W р + 1,24 W_ф + 0,0161 V 0 (18.41)

Теоретический объем азота (1 м 3 на 1 кг топлива) при α = 1 состоит из азота воздуха и азота топлива, т. е.

где p_N2 = 1,25 – плотность азота, кг/м 3 .

При коэффициенте избытка воздуха α > 1 в состав продуктов сгорания дополнительно будут входить избыточный воздух и водяные пары, вносимые с этим воздухом. Объемы продуктов сгорания при
α = 1 называются действительными объемами.

Действительные объемы составят:

Величина V_RO2 не зависит от значения коэффициента избытка воздуха.

Теоретические объемы продуктов сгорания 1 м 3 газообразного топлива рассчитывают на основании стехиометрических реакций (18.28). При полном горении горючих составляющих газообразного топлива СО, Н₂ и С_mН_n образуются двуокись углерода СO₂ и водяные пары. При сгорании сероводорода H₂S помимо водяных паров образуется сернистый газ SO₂.
Объем трехатомных газов, м 3 /м 3 ,

где а – влагосодержание газа, г/м 3 .

Объем азота, сухих газов и суммарный объем продуктов сгорания, так же как для жидкого и твердого топлив, определяют по формулам (18.42), (18.33) и (18.31).

При α > 1 действительный объем водяного пара, сухого газа и полный объем продуктов сгорания находят по формулам (18.43), (18.45) и (18.46). Если состав непредельных углеводородов С_nН_2n, входящих в газ, неизвестен, а общее их содержание не превышает 3 %, то в расчете они учитываются как С₂Н₄.

Расчеты горения по результатам анализа газов. Газовый анализ продуктов горения предназначен для контроля качества (полноты) сжигания топлива. Для этой цели используют химические газоанализаторы типа ВТИ и ГПХ – 3. Принцип их действия основан на избирательном поглощении компонентов, входящих в продукты сгорания, химическими реагентами, которыми заполнены поглотительные колонки газоанализатора. Например, для поглощения RO₂ используют раствор КОН, а для поглощения О₂ – щелочной раствор пирогаллола С₆Н₃(ОН)₃.

В настоящее время широко применяют хроматографический газовый анализ, основанный на физических методах разделения газовых смесей на составляющие их компоненты. Принцип действия хроматографа базируется на различии адсорбционных свойств различных газов при их прохождении через слой сорбента (силикагеля).

Расчеты по результатам газового анализа производятся на объем сухих газов.

Определение окиси углерода при горении твердого и жидкого топлив. При неполном горении топлива в продуктах сгорания всегда содержится некоторое количество окиси углерода СО. Уравнение состава сухих продуктов сгорания имеет вид

По результатам анализа газов определяют процентное содержание RO₂ И O₂ в продуктах сгорания.

Определение СО методом поглощения нежелательно из – за достаточно большой погрешности метода. Поэтому содержание СО в газах определяют расчетным путем.

При полном горении чистого углерода и α = 1 продукты сгорания содержат СO₂ и N₂, при этом СОмакс2 = RO макс ₂ = 21 %. В горючей массе ископаемых топлив кроме углерода всегда содержится некоторое количество водорода. Поэтому концентрация RO макс ₂ в сухих продуктах сгорания всегда меньше 21 %, т. е. с понижением содержания углерода и серы в топливе значение RO _{макс 2} также снижается. Существует некоторая безразмерная величина, с помощью которой можно установить соотношение между элементарным составом топлива и содержанием трех атомных газов в сухих продуктах сгорания. Эта величина называется топливной характеристикой, и обозначают ее буквой β.

Исходя из сказанного можно считать, что

Значения RO макс ₂ и β для каждого вида топлива определенного состава постоянны (табл. 18.4).

Таблица 18.4. значения RO макс ₂ И β для некоторых видов топлива.

По мере увеличения коэффициента избытка воздуха β сверх единицы в сухих продуктах полного сгорания в результате избытка воздуха будет появляться свободный кислород и RО₂ мак_{с 2}. При известном значении α содержание RО₂ можно приближенно определять по эмпирической формуле:

В специальной литературе выводится так называемое уравнение полного горения топлива:

Если правая и левая части уравнения (18.53) не равны между собой, то полного сгорания нет, и в этом случае разность (21 – βPRО₂l) – ( RO₂ + O₂) = z называется характеристикой неполноты сгорания топлива.

Уравнение неполного горения топлива записывают в следующем виде:

Зная содержание RО₂ и O₂ в дымовых газах и величину β, количество окиси углерода можно определить по следующей формуле, получаемой из равенства (18.53′):

При использовании хроматографического метода газового анализа необходимость вычисления СО по формуле (18.54) отпадает, так как содержание окиси углерода можно определить непосредственно на хроматографе.

Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания топлива при неполном горении. Объем сухих продуктов сгорания определяют по результатам анализа газов в соответствии с уравнением (18.49) следующим образом. Процентное содержание RO₂ в газах:

Содержание СО определяют по равенству (18.54). Окончательно получают

Определение горючих CO ставляющих СО, СН₄ и Н₂ при неполном горении газообразного топлива. Уравнение состава сухих продуктов сгорания можно записать в следующем виде:

Содержание СН₄ и Н₂ в горючей части продуктов сгорания, как правило, бывает невелико. Основную часть составляет окись углерода. По результатам химического анализа газов определяют содержание RО₂ и О₂.

Хроматографическим методом газового анализа можно определять все составляющие горючей части продуктов сгорания СО, СН₄ и Н₂.

Если известны результаты анализа только по RО₂ и О₂, то для определения СО в газах значение топливной характеристики β принимают по справочным данным или при известном составе исходного горючего газа β определяют расчетным путем с обязательным учетом содержания СО т ₂ в газе:

Следует отметить, что для искусственных газов, в которых содержится большое количество CO т ₂, топливная характеристика β может оказаться отрицательной.

Определение коэффициента избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха определяется по данным газового анализа сухих продуктов сгорания. Для случая полного горения, когда в продуктах сгорания отсутствуют горючие составляющие СО, СН₄, Н₂

При неполном горении

При полном сгорании топлива и известном значении RO макс ₂ для определения можно воспользоваться формулой (18.52).

Пример. Определить низшую и высшую теплоту сгорания природного саратовского (елшанского) газа, имеющего следующий объемный состав, %: СН₄ – 94, С₂Н₆ – 1,8, С₃Н₈ – 0,4, С₄Н₁₀ – 0,1, С₅Н₁₂ – 0,1,

Решение: 1. Низшая теплота сгорания, кДж/м 3 , составляет: метана СН₄ – 35,8 × 10 3 , этана С₂Н₄ – 64,6 ×10 3 , пропана С₃Н ₈ – 91,5 × 10 3 , бутана С₄Н₁₀ – 119,0 ×10 3 , пентана С₅Н₁₂ – 146,5 × 10 3.

По формуле (18.6) определяем

Q c _n = (35,8×94 + 64,6×1,8 + 91,5×0,4+ 119×0,1 + 146,5×0,1) 103×0,01 = 35 300 кДж/м 3 .

Высшая теплота сгорания, кДж/м 3 , составляет: метана СН₄ – 39,8 × 10 3 , этана С₂Н₄ – 70 × 10 3 , пропана С₃Н₈ – 99,5 ×10 3 , бутана С₄Н₁₀ – 28,5 × 10 3 , пентана С₈Н₁₂ – 157,5 ×10 3 .

По формуле (18.17) находим

Q с _в = (39,8 × 94 + 70 × 1,8 + 99,5 × 0,4 + 128,5 × 0,1 +157,5 × 0,01) 103 × 0,01 = 39 300 кДж/м 3 .

Права на тексты, фотографии, изображения и иные результаты интеллектуальной деятельности, расположенные на сайте kotel-kv.com, подлежат правовой охране в соответствии с действующим законодательством РФ, Гражданским кодексом РФ (часть четвертая) от 18.12.2006 № 230-ФЗ. Запрещено использование (воспроизведение, распространение, переработка и т.д.) любых материалов, размещенных на данном сайте, без письменного согласия правообладателя. Такое использование является незаконным и влечет ответственность, установленную действующим законодательством РФ.

Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации о наличии, стоимости, комплектации указанных товаров и (или) услуг, обращайтесь к менеджерам отдела сбыта с помощью специальной формы связи или по телефону: 8-800-700-21-13.

Расчет горения природного газа проектный

1.1.1. Исходные данные:

Химический состав сухого газа (в % по объему):

Содержание влаги в рабочем газе, W_p=1%;

Коэффициент избытка воздуха при горении, á = 1,2;

Влагосодержание атмосферного воздуха, d = 10 г/кг;

Температура подогрева воздуха, t_в = 20 °C.

1.1.2. Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ при содержании H₂O = 1%:

CH вл ₄ = 98,0 ⋅ 0,99 = 97%

При точности анализа – один знак после запятой, другие составляющие газа остаются без изменений, т.е. состав рабочего газа будет:

1.1.3.Теплота сгорания газа:

Q p _н = 385,18 ⋅ 97,0 + 637,48 ⋅ 0,5 + 912,3 ⋅ 0,3 + 1186,46 ⋅ 0,1 + 1460,77 ⋅ 0,2 = 35746,69 , кДж/нм 3

Q p _н = 85,55 ⋅ 97,0 + 152,26 ⋅ 0,5 + 217,9 ⋅ 0,3 + 283,38 ⋅ 0,1 + 348,9 ⋅ 0,2 = 8538 , ккал/нм 3 .

1.1.4.Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

V о _в = 4,762 (2 ⋅ 97 + 3,5 ⋅ 0,5+ 5 ⋅ 0,3+ 6,5 ⋅ 0,1+ 8 ⋅ 0,2)/100 = 4,762 ⋅ 199,5/100 = 9,5 нм 3 /нм 3 .

1.1.5.Теоретически необходимое количество воздуха с учетом его влажности:

V о _{в .вл} = (1+0,0016d) ⋅ V о _в , нм 3 /нм 3

V о _{в .вл} = (1+0,0016 ⋅ 10) ⋅ 9,5 = 9,65 нм 3 /нм 3 ,

где: 0,0016 = 1,293/(0,804 ⋅ 1000) представляет собой коэффициент пересчета весовых единиц влаги воздуха, выраженных в г/кг сухого воздуха, в объемные единицы – нм 3 водяных паров, содержащихся в 1 нм 3 сухого воздуха.

1.1.6. Действительное количество сухого воздуха при коэффициенте избытка воздуха α=1,2:

V_α = α ⋅ V о _в = 1,2 ⋅ 9,5 = 11,4 нм 3 /нм 3

1.1.7.Действительное количество атмосферного воздуха при коэффициенте избытка α=1,2:

V ′_α = α ⋅ V о _{в .вл} = 1,2 ⋅ 9,65 = 11,58 нм 3 /нм 3

1.1.8.Количество продуктов горения при α=1,2:

V_{CO 2} = 0,01(0,1 + 97 + 2 ⋅ 0,5 + 3 ⋅ 0,3 + 4 ⋅ 0,1 + 5 ⋅ 0,2) = 1,004 нм 3 /нм 3

V_{H2 O} = 0,01(2 ⋅ 97 + 3 ⋅ 0,5 + 4 ⋅ 0,3 + 5 ⋅ 0,1 + 6 ⋅ 0,2 + 1,0 + 0,16 ⋅ 10 ⋅ 11,4) = 2,176 нм 3 /нм 3

V_{N 2} = 0,01 ⋅ 0,8 + 0,79 ⋅ 11,4 = 9,014 нм 3 /нм 3

V_{O 2} = 0,21(α – 1)V о _в , нм 3 /нм 3

V_{O 2} = 0,21 ⋅ (1,2 – 1) ⋅ 9,5 = 0,399 нм 3 /нм 3

Общее количество продуктов горения:

V_ДГ = 1,004 + 2,176 + 9,014 + 0,399 = 12,593 нм 3 /нм 3

1.1.9. Процентный состав продуктов горения:

СО₂ = 1,004 ⋅ 100/12,593 ≅ 7,973%

H₂O = 2,176 ⋅ 100/12,593 ≅ 17,279%

N₂ = 9,014 ⋅ 100/12,593 ≅ 71,579%

O₂ = 0,399 ⋅ 100/12,593 ≅ 3,168%

Итого: 99,999% или с точностью до двух знаков после запятой – 100%.

1.1.10.Материальный баланс процесса горения на 100 нм 3 газа (перевод нм 3 каждого газа в кг производят путем умножения на его плотность ñ_o, кг/нм 3 ).

1.1.11.Общая энтальпия продуктов горения при t_в=20 °C и á_в=1,2:

i_общ = 35746,69/12,593 + 11,58 ⋅ 26,38/12,593 = 2862,9 кДж/нм 3 или

i_общ = 8538/12,593 + 11,58 ⋅ 6,3/12,593 = 683,8 ккал/нм 3 ,

i ′_в может быть определена также по i-t диаграмме рис. 7.1.

1.1.12.Теоретическая температура горения при α=1,2

t_теор=1775 °С, по i-t диаграмме рис. 7.2.

1.1.13.Коэффициент сохранения тепла в топке:

ϕ = 1 – q₅ /100= 1 – 0,5/100 = 0,995

где: q₅ – потери тепла в окружающую среду, зависят от конструктивных особенностей топки, в примере q₅ принимаем равными 0,5%.

1.1.14.Действительная энтальпия газов в топке:

i ′ _общ = 2862,9 ⋅ 0,995 =2848,6 кДж/нм 3 или

i ′ _общ =683,8 ⋅ 0,995 = 680,4 ккал/нм 3

1.1.15.Действительная средняя температура газов в топке:

t_дейст ≈ 1750 °С, по i-t диаграмме рис. 7.2.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление

а) теоретического объема воздуха V_в теор и б) практического объема воздуха V_в пр , затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

Стехиометрическое количество воздуха в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, участвующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае называется теоретическим (V_в теор ).

Горение может происходить не только при стехиометрическом соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух DV_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен

и, следовательно, избыток воздуха будет равен

Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

(2.3)

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a теор (a -1) (2.4)

В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения j (О₂) ПГ . Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О₂. Для некоторых веществ, например, ацетилена С₂Н₂, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О₂).

Зная содержание кислорода в продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

(2.5)

2.1.1. Горючее – индивидуальное химическое соединение

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения рассчитывается по уравнению реакции горения.

1. Записываем уравнение реакции горения

М = 74 кг 6×4,76 × V_м =

2. Записываем в уравнении известные и неизвестные величины с указанием размерности.

3. Молярная масса диэтилового эфира 74 кг/кмоль. Записываем эту величину под формулой эфира.

4. При нормальных условиях молярный объем (V_м) любого газообразного вещества составляет 22, 4 л/моль или 22,4 м 3 /кмоль.

Если условия отличаются от нормальных, то необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях. Расчет V_М ведут по формуле объединенного газового закона:

, где

Р и Т – данные в задаче температура и давление.

Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении.

м 3 /кмоль

Записываем данную величину под формулой воздуха, умножив ее на стехиометрический коэффициент (6×4,76).

5. По уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания эфира:

V_в теор = 7,5 м 3

1. Записываем уравнение реакции горения

М = 58 кг 4×4,76 × V_м =

2. Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении.

м 3 /кмоль

3. По уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания эфира:

V_в теор = м 3

4. По условию задачи коэффициент избытка воздуха a = 1,2.

С учетом этого определим практический объем воздуха, необходимый для горения:

V_в пр = V_в теор × a = 425,1 × 1,2 = 510,1 м 3 .

2.1.2. Горючее – смесь газов и паров

Природный, попутный нефтяной газ, промышленные газы (доменный, коксовый, генераторный и т.п.) представляют собой смеси газов. Состав газов выражается обычно в объемных процентах (j объемн , %).

Алгоритм расчета в данном случае следующий: для каждого горючего компонента вычисляется теоретическое количество воздуха с учетом его концентрации в смеси, и полученные концентрации суммируются. Формула для расчета теоретического объема воздуха для сгорания газовой смеси имеет следующий вид:

V_в теор = , м 3 , (2.6)

где b₁, b₂, b₃ – стехиометрические коэффициенты при воздухе в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси;

j₁, j₂, j₃ – концентрации каждого горючего компонента смеси (в объемных %);

j (О₂) – процентное содержание кислорода в горючем газе (в объемных %);

V_ГГ – объем газовой смеси, м 3 .

Если горение протекает с избытком воздуха, то практический объем воздуха рассчитывают по уже известной формуле:

1. Определяем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси. Горючими газами в этой смеси являются угарный газ СО, водород Н₂ и метан СН₄.

2. По формуле (3.6) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной газовой смеси:

V_в теор = = 8,1 м 3

3. С учетом коэффициента избытка воздуха реально на сгорание данной газовой смеси будет затрачено воздуха

V_в пр = V_в теор × a = 8,1 × 1,3 = 10,5 м 3 .

2.1.3. Горючее – сложное вещество с известным элементным составом

Состав таких веществ выражается в массовых долях (w, %) каждого элемента. При горении кислород воздуха расходуется на окисление углерода С, водорода Н, серы S и других горючих составляющих.

Рассчитаем, какой теоретический объем воздуха необходим для сгорания 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

12 кг 4,76×22,4 м 3

V_в(С) теор = х = = 8,885 м 3 – объем воздуха для сгорания 1 кг углерода.

1 кг 0,25×4,76×22,4 м 3

V_в(Н) теор = х = = 26,656 м 3 – объем воздуха для сгорания 1 кг водорода.

32 кг 4,76×22,4 м 3

V_в(S) теор = х = = 3,332 м 3 – объем воздуха для сгорания 1 кг серы.

Углерод, водород и сера являются основными составляющими большинства органических соединений. Значительное число органических веществ имеют в своем составе кислород, и, следовательно, воздуха на горение будет затрачено меньше.

Рассчитаем объем воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода.

32 кг О₂ – 4,76×22,4 м 3 воздуха

V_в(О) теор = х = = 3,332 м 3 – объем воздуха, содержащий 1 кг кислорода.

Сопоставим полученные значения.

= 26,665 : 8,885 : 3,332 : 3,332 = 1 : 1/3 : 1/8 : 1/8

Теоретическое количество воздуха для сгорания 1 кг вещества сложного элементного состава в общем виде можно записать следующим образом:

V_в теор = V_в(С) теор × + V_в(Н) теор × + V_в(S) теор × – V_в(О) теор × , м 3 (2.7)

w (С), w (Н), w (S), w (О) – массовые доли элементов в веществе, %.

После подстановки в формулу (2.7) полученных выше расчетных значений теоретический объем воздуха для сгорания заданной массы (m)вещества сложного элементного состава при нормальных условиях определяется по формуле:

V_в теор =m × 0,267 , м 3 /кг. (2.8)

1. По формуле (3.8) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца торфа:

V_в теор = 5 × = 27,7 м 3

2. С учетом коэффициента избытка воздуха реально на сгорание данной массы образца торфа будет затрачено воздуха

V_в пр = V_в теор × a = 27,7 × 1,5 = 41,6 м 3 .

СО 153-34.02.304-2003 Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций

Министерство энергетики Российской Федерации

Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ
ОКСИДОВ АЗОТА
С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ
КОТЛОВ ТЕПЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

ОАО «ВТИ»
Москва 2005

Разработан Открытым акционерным обществом “Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт” (ОАО «ВТИ»); Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования “Московский энергетический институт (технический университет)” [ГОУВПО МЭИ (ТУ)]

Исполнители Котлер В.Р., Енякин Ю.П., Усман Ю.М ., Верещетин В.А. (ОАО «ВТИ»), Росляков П.В., Егорова Л.Е., Ионкин И.Л. [ГОУПВПО МЭИ (ТУ)]

Утвержден Министерством энергетики Российской Федерации, приказ Минэнерго России № 286 от 30.06.2003

Министр энергетики И.Х. Юсуфов

Ключевые слова : энергетика, тепловые электростанции, котлы паровые, котлы водогрейные, выбросы оксидов азота, проектирование, реконструкция.

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОТЛОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

СО 153-34.02.304-2003

Дата введения 2003-07-01

Настоящие Методические указания могут использоваться для расчета выбросов оксидов азота при проектировании новых и реконструкции действующих котлов паропроизводительностью от 75 т/ч и водогрейных котлов мощностью от 58 МВт (50 Гкал/ч) и выше, сжигающих твердое, жидкое и газообразное топливо в факельных горелочных устройствах. Настоящие Методические указания могут также применяться в научно-исследовательских целях.

Настоящие Методические указания предназначены для организаций, эксплуатирующих тепловые электростанции и котельные, а также проектных организаций.

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сжигание топлива на тепловых электростанциях и в котельных приводит к выбросу в атмосферу продуктов сгорания органического топлива, содержащих токсичные оксиды азота N О _х (главным образом мон oo ксид NO и в меньшей степени диоксид NO ₂ ).

Количество образующихся оксидов азота зависит от характеристик топлива, режимных и конструктивных параметров топочной камеры. Поэтому на стадии проектирования или реконструкции котлов необходимо провести расчет ожидаемых выбросов оксидов азота и предусмотреть меры по снижению их до величин, не превышающих нормативы удельных выбросов NO, в атмосферу, приведенных в ГОСТ Р 50831-95 “Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования”.

В уходящих газах паровых и водогрейных котлов моносксид азота NO составляет 95-99 % общего выброса N О _х, в то время как содержание более токсичного диоксида азота NO ₂ не превышает 1-5 %. После выброса дымовых газов в атмосферу под воздействием природных факторов большая часть NO конвертирует в NO ₂ . Поэтому расчет массовых концентраций и выбросов оксидов азота N О _х ведется в пересчете на NO ₂ .

В связи с установленными раздельными ПДК в атмосферном воздухе на монооксид NO и диоксид азота NO ₂ и с учетом трансформации оксидов азота в атмосфере при расчете загазованности и нормировании выбросов ТЭС суммарные массовые выбросы оксидов азота разделяются на составляющие (с учетом различия в молярной массе этих веществ):

(1.1)

(1.2)

где и – молярные массы N O и N O ₂ , равные 30 и 46 соответственно; 0,8 – коэффициент трансформации оксида азота в диоксид. Численное значение коэффициента трансформации может устанавливаться по методике Госкомэкологии России на основании данных фактических измерений местных органов Росгидромета, но не более 0,8.

Источниками оксидов азота является молекулярный азот воздуха, используемого в качестве окислителя при горении, и азотсодержащие компоненты топлива. В связи с этим принято делить оксиды азота на воздушные и топливные. Воздушные, в свою очередь, можно разделить на термические, образующиеся при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота воздуха, и так называемые «быстрые» оксиды азота, образующиеся во фронте факела при сравнительно низких температурах в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота.

2 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ

Для количественной характеристики газообразных выбросов котлов используют объемные и массовые концентрации вредных веществ, а также их удельные или валовые (массовые) выбросы.

2.1 Объемные концентрации С _V представляют собой отношение объема, занимаемого данным газообразным веществом, к объему всей газовой пробы. Объемные концентрации С _V могут измеряться в % об или ppm . Единица измерения 1 ppm ( part per million) представляет собой одну миллионную часть объема:

1 ppm = 10 -6 = 10 -4 % об = 1 см 3 /м 3 . (2.1)

Важным преимуществом измерения содержания газовых компонентов в объемных концентрациях является то, что объемные концентрации не зависят от давления и температуры среды и, следовательно, расчетные или опытные результаты газового анализа, выраженные в % об или ppm , не требуют приведения к каким-либо заданным условиям по температуре и давлению.

2.2 Массовые концентрации С _m характеризуют количество (массу) данного вещества в одном кубическом метре продуктов сгорания. С их помощью оценивается содержание в продуктах сгорания как твердых, так и газообразных компонентов. Массовые концентрации измеряются в г/м 3 или мг/м 3 .

В отличие от объемной массовая концентрация зависит от давления и температуры среды, поэтому ее приводят в пересчете на нормальные условия (0 °С, р = 760 мм рт. ст. = 101,3 кПа), для чего используется следующее выражение:

(2.2)

где – массовая концентрация, полученная опытным путем при температуре и давлении газовой пробы.

2.3 Связь между объемными ( ppm ) и массовыми (г/м 3 ) концентрациями устанавливается следующим соотношением:

(2.3)

где k _i – коэффициент пересчета, равный

(2.4)

– молярная масса i-го вещества, г;

– его молярный объем, л (в качестве первого приближения за может быть принят объем идеального газа, равный 22,41 л);

– температура и р_г – давление газовой пробы перед газоанализатором (последнее приравнивается к фактическому атмосферному давлению). Значения коэффициента пересчета k _i приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значения коэффициента пересчета для реальных газов при нормальных условиях (0 °С; 101,3 кПа)

Вещества

Молярный объем , л