Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Введение

На заводах чёрной металлургии и горно-обогатительных комбинатах наибольшее распространение получили следующие виды топлива: кокс, каменные и бурые угли, природный, доменный и коксовый газы [1; 2]. В связи с выработкой газовых и нефтяных месторождений может вновь возрасти роль генераторных газов [3]. При процессе горения возможны колебания параметров подаваемого в зону горения топлива, что приводит к изменению калориметрической температуры горения и изменениям в технологическом процессе работы плавильной печи [4]. В зависимости от химического состава руды, загружаемой в доменные или агломерационные печи, может потребоваться изменение состава рабочего топлива [5; 6]. Такая необходимость возникает, например, при определении состава горючей массы кокса для расчёта шихты доменной плавки [7]. Состав сухого газообразного топлива на рабочее пересчитывают с использованием коэффициента пересчёта, а также процент водяных паров по объёму в топливе [8].

Цель исследования – разработка численных методов определения калориметрической температуры горения газообразного, твёрдого или жидкого топлива в условиях доменной плавки.

Материалы и методы исследования

На предприятиях черной металлургии и агломерационных фабриках преимущественно используется полное сжигание топлива в зоне горения. При полном сжигании топлива в продуктах горения присутствуют только высшие окислы и простые газы СО2, Н2О, SO3, N2, O2 [9]. Расчёты полного горения топлива ведутся в соответствии с химическими реакциями полного горения компонентов топлива. Эти расчёты не отражают динамику процесса горения и проводятся на основе простых уравнений теплового и материального баланса. Целесообразно определять теплоту сгорания топлива при условии, когда продукты горения находятся в газообразном состоянии, то есть температура их больше 100 °С, так как это соответствует условиям удаления дыма из печи. Теплота сгорания топлива, определённая для таких условий, называется низшей – . Так как состав твёрдого, жидкого и газообразного топлива определён различным способом, то формулы для определения также различаются.

Для твердого и жидкого топлива (табл. 1) чаще всего употребляется формула:

кДж/кг,

для газообразного (табл. 2) используют формулу:

кДж/м3.

Таблица 1

Элементарный состав некоторых видов твёрдого и жидкого топлива [10]

Таблица 2

Состав некоторых видов газообразного топлива [10]

Теоретическим расходом воздуха называют минимальное количество воздуха, требующееся для полного сгорания единицы (массы или объёма) топлива. Для расчёта необходимо определить минимальный объём кислорода для полного сжигания единицы топлива – , так как азот не принимает участия в горении [11; 12]. Объём определяют в соответствии со стехиометрическими коэффициентами в реакциях полного горения по формулам:

а) для твёрдого и жидкого топлива

, кг топлива;

б) для газообразного топлива

, м3 топлива.

Если обозначить объёмную долю кислорода в воздухе, идущем на горение – , то теоретически необходимое количество воздуха определяется по формуле . Действительный расход воздуха – это количество воздуха, в действительности подающееся на горение топлива, оно может быть меньше и больше теоретически необходимого [13; 14]. Для характеристики полноты горения введено понятие коэффициента расхода воздуха . Понятно, что если n ≥ 1, то горение полное, если n < 1, то горение не полное. При полном горении топлива рекомендуются следующие значения расхода воздуха:

- для газообразного топлива

;

- для жидкого топлива

;

- для твёрдого топлива при факельном горении

.

Так как составляющие продуктов горения известны, то определение объёма продуктов полного горения дыма сводится к определению объёмов отдельных составляющих , , , , в соответствии с реакциями горения и к суммированию их для получения объёма дыма VД. Состав дыма в % по объёму находится обычным способом, а расчёт VД для твёрдых и жидких топлив производится по формулам:

кг топлива,

кг топлива,

кг топлива,

кг топлива,

кг топлива,

м3 дыма / кг топлива.

Для газообразного топлива:

, м3 топлива,

, м3 топлива,

кг топлива,

кг топлива.

Результаты исследования и их обсуждение

Калориметрическая температура горения tкал – это температура, которую имели бы продукты горения, если бы всё тепло, внесённое в очаг горения и выделившееся при горении, пошло бы на их нагревание. tкал определяется по формуле:

, (1)

полученной из уравнения теплового баланса, где – тепло, внесённое в очаг горения нагретым воздухом, кДж/м3, – тепло, внесённое в очаг горения нагретым топливом, кДж/м3, Qхн – теплота химического недожога топлива, , , – удельные, средние теплоёмкости воздуха, топлива и дыма.

Если ввести некоторые стандартные условия при расчёте калориметрической температуры горения, то получается удобное понятие для сравнения различных видов топлива между собой – стандартная калориметрическая температура горения , называемая также иногда жаропроизводительностью [15; 16]. Стандартные условия следующие:

1) подогрев топлива и воздуха отсутствует – tг = tв = 0ºС;

2) химический недожог отсутствует – Qхн = 0;

3) сгорание топлива идёт с коэффициентом избытка воздуха n = 1;

4) горение идёт при стандартных внешних условиях: атмосферное давление – 760 мм рт. ст., температура окружающей среды 0°С. При этих условиях

. (2)

Прямое определение tкал по формулам (1), (2) невозможно, так как зависит от tкал, которая неизвестна, поэтому в расчётной практике используют три способа определения калориметрической температуры горения: 1) метод итераций; 2) интерполяционный способ; 3) с использованием i-t диаграммы (или её компьютеризированного аналога) для дыма расчётного состава.

Метод итераций или последовательных приближений состоит в том, что в первом приближении произвольно задаются некоторым значением калориметрической температуры –  определяют , а затем по формуле (1) или (2) определяют значение калориметрической температуры во втором приближении – . Затем находят разность и сравнивают её с некоторым наперёд заданным значением этой разности – δ °С, которая характеризует точность расчёта. Если Δ > δ, то делают следующий шаг, если Δ < δ, то считают, что . В общем случае , если . Метод удобен при программной реализации на компьютере. На рисунке 1 представлена форма ввода типа топлива и его химического состава для расчета калориметрической температуры и низшей теплоты сгорания и параметров металлургической печи. Интерфейс позволяет выбрать вид и топливо с автоматическим заполнением формы химического состава.

В методе интерполяции калориметрическую температуру горения определяют по калориметрическому теплосодержанию:

.

Для этого задаются некоторым значением температура дыма tд1, рассчитывают соответствующее ей удельное теплосодержание i1, сравнивают i1 и iкал. Пусть iкал > i1, тогда выбираем значение tд2, такое, чтобы tкал < i2 , и определяем tкал по интерполяционной формуле:

.

Рис. 1. Форма ввода параметров топлива Источник: составлено авторами

Рис. 2. Графическое представление результатов расчёта Источник: составлено авторами

При графическом способе определения tкал следует иметь диаграмму зависимости удельного теплосодержания дыма расчетного состава от температуры и по известному удельному калориметрическому теплосодержанию определять tкал.

Графические способы определения результатов процесса горения базируются на формулах, приведенных выше. Форма представления графиков может быть различной, обычно чем больше требование к полноте расчёта, тем сложнее получаются графики зависимостей, а точность определения снижается.

Авторами разработан комплекс программ для компьютеризированного расчёта полного горения разнообразного топлива и построения графика зависимости расхода воздуха, с использованием предложенного метода итераций (рис. 2). Результаты вычислительных экспериментов по расчёту и приведены на рисунках 3, 4.

Рис. 3. Зависимость безразмерного удельного выхода дыма от коэффициента расхода воздуха при для некоторых промышленных видов топлива: 1 – доменный газ; 2 – КДС 10МДж/м3; 3 – бурый уголь; 4 – коксовый газ; 5 – природный газ; 6 – смесь 75% природного газа, 25% мазут; 7 – мазут. Значения м3 дыма/м3 (кг) топлива: 1 – 1.57; 2 – 3.11; 3 – 3.87; 4 – 4.95; 5 – 11.71; 6 – 14.01; 7 – 10.8 Источник: составлено авторами

Рис. 4. Зависимость относительного действительного расхода воздуха от объёмной доли кислорода в воздухе Источник: составлено авторами

Заключение

Результатом исследования стала программа для упрощения и автоматизации расчетов зависимости безразмерного выхода дыма от коэффициента расхода воздуха для обеспечения полноты сгорания топлива. Наличие встроенной базы данных, содержащих химический состав различных типов топлива, сокращает время процесса ввода данных в программу. Определено, что лучшие показатели теплоты сгорания и пониженного удельного выхода дыма были у попутного нефтяного газа. Его использование в доменных печах помогает избежать потери ценного ресурса в процессе нефтедобычи. В исследовании было проведено сравнение методов итерации и интерполяции для точного определения калориметрической температуры горения. Для программной реализации наиболее точным является метод итерации, так как он имеет превосходство по скорости расчёта по сравнению с другими численными методами и более удобен в реализации на практике.

Выводы

На основании проведённого исследования можно сделать выводы:

• установлено минимальное необходимое количество воздуха для полного сгорания единицы топлива;

• проведено сравнительное исследование численных методов определения калориметрической температуры горения, что позволило выбрать наиболее эффективный и точный способ расчёта;

• научно обоснована эффективность применения попутного нефтяного газа в доменных печах предприятий чёрной металлургии.