Расчет топки для сушильной установки

Исходные данные

Состав природного газа (месторождение Газли – Узбекистан): марка М80 (малосернистый) [3, табл. 1]:

СН₄=94, 9%; С₂Н₆=3, 0%; С₃Н₈=0, 9%; С₄Н₁₀=0, 6%; С₅Н₁₂=4, 5%; СО₂=0, 1%; N₂=0, 5%

Параметры наружного воздуха

Температура t₀=15, 3⁰C

Относительная влажность φ ₀=79%

Барометрическое давление Р=750 мм.рт.ст.=0, 099 МПа

Влагосодержание наружного воздуха при t₀=20°С; φ ₀=79%:

х₀=0, 622φ ₀Р_нас/(Р-φ ₀Р_нас)=0, 622·0, 79·13, 042/(750-0, 79·1, 205)=0, 0086 кг/кг,

где Р_нас=17, 54 мм.рт.ст. при t₀=20°С [7, табл. XXXVIII] при Р=750 мм.рт.ст.

Теплосодержание наружного воздуха при t₀=20°С и х₀=0, 0086 кг/кг:

J₀=1, 01t₀+(2493+1, 97t₀)х₀=1, 01·15, 3+(2493+1, 97·1, 53) ·0, 0086=37, 152 кДж/кг.

Теплотворная способность природного газа:

Q_н^р=500, 3СН₄+475, 22С₂Н₆+463, 29С₃Н₈+458, 48С₄Н₁₀+453, 45С₅Н₁₂=500, 3*94, 9+475, 22*3, 0+463, 29*0, 9+458, 48*0, 6+453, 45*0, 5=49321, 09 кДж/кг

Q_в^р= Q_н^р+2500 ∑ (0, 09n)/(12m+n) + 25W_р) = 49321, 09 + 2500*0, 087 = 49538, 59 кДж/кг

Теоретическое количество абсолютно сухого воздуха, необходимого для сжигания 1 кг природного газа:

L₀=0, 02435CO+0, 348H₂+0, 0614H₂S+1, 39∑ [(m+n/4)/(12m+n)]C_mH_n-1, 39O₂=1, 39*(11, 86+0, 35+0, 102+0, 067+0, 5)=17, 9 кг воздуха/кг газа

Масса сухого воздуха, подаваемого в топку для сжигания 1 кг природного газа с учётом избытка воздуха α _m:

L­_m­­= α _mL₀=2, 2*17, 9=39, 38 кг воздуха/кг газа.

Масса сухого газа, получаемого при сжигании 1 кг природного газа:

l′ _сг=1 + L_m - ∑ [(0, 09n) / (12m+n)] C_mH_n - 0, 01W_p = 1 + 39, 38 - (2, 14 + 0, 054 + 0, 015 + 0, 0093 + 0, 068) = 38, 094 кг/кг

Масса водяного пара, получаемого при сжигании 1 кг природного газа с избытком воздуха:

d′ =∑ [(0, 09n) / (12m+n)] C_mH_n +L_mx_o+ 0, 01W_p=(2, 14+0, 054+0, 015+0, 0093+0, 068) + 39, 38*0, 0086=2, 63 кг пара/кг газа при х_o=0, 0086 кг/кг.

Влагосодержание топочных газов: х_тг=x′ =d′ /l′ _cг=2, 63/38, 034=0, 069 кг/кг

Количество компонентов топочных газов, образующихся при сжигании

1 кг природного газа:

lco₂=0, 01СO₂+0, 0157CO+∑ [0, 44/(12m+n)]C_mH_n = 0, 01 * 0, 1 + (2, 61 + 0, 044 + 0, 009 + 0, 0046 + 0, 028)=2, 697кг/кг

lso₂=0, 0188H₂S=0, 02·0, 9=0

lN₂=0, 768L_m+0, 01N₂=0, 768·39, 38+0, 01·0, 5=30, 25 кг/кг

lo₂=0, 232(α _m-1)L₀=0, 232(2, 2-1)17, 9=4, 98 кг/кг

Средняя молекулярная масса сухих топочных газов:

M_cr= l′ _сг / [(lco₂/44)+(lso₂/64) + (lN₂/28) + (lo₂/32)] = 38, 094 / (2, 697/44 + 0 + 30, 25/28 + 4, 98/32) = 29, 28 кг/кмоль

Средняя теплоемкость сухих топочных газов при t_mr=1000^оС:

С_сг=(Ссо₂lco₂+ Сsо₂lso₂+ СN₂lN₂+Со₂lo₂)/(lco₂+ lso₂+ lN₂+ lo₂)=

=(1, 12·2, 697+1, 11·30, 25+1, 03·4, 98)/(2, 697+30, 25+4, 98)=

=1, 1 кДж/(кг·К).

Средняя теплоёмкость природного газа при t=20º C:

C_Т=C_CH4Y_CH4+C_C2H6Y_C2H6+…+С_mH_nY_CmHn=2, 202*0, 949+1, 684*0, 03+1, 38*0, 009+1, 634*0, 05=2, 23 кДж/(кг·К).

Средняя температура топочных газов на выходе из топки без учёта диссоциации углекислого газа и паров воды:

t_тг=(Q_в^рŋ _m+C_Тt_Т+L_mJ₀+w_gi_g-2500l_cr′ x′)/[l′ _cг(C_сг+1, 97х′)] =

(49538, 59*0, 95+2, 23*20+39, 38*37, 152-2500*38, 094*0, 069)/[38.094(1.1+1.97*0.069)]=892.02°C, где w_g=0, так как газ не распыляют ни воздухом, ни паром.

Температуру топочных газов снижаем до t_тг=1000 °C за счет подачи наружного воздуха в топку, чтобы предохранить футеровку топки от разрушения.

Теплосодержание топочных газов:

J_тг=1, 01t_тг+(2493+1, 97t_тг)x_тг=1, 01·1000+(2493+1, 97·1000)0, 069=1317, 95 кДж/кг.

Теплосодержание паров воды при t₁=380°C:

i_n=2493+1, 97t₁=2493+1, 97·380=3241, 6 кДж/кг.

Коэффициент избытка воздуха при разбавлении топочных газов воздухом до t₁=380°C:

α ₂=(Q_в^рη _m+C_mt_m)/L₀(С_сгt₁+х₀i_n-J₀)-{1-∑ [0.09n/(12m+n)]C_mH_n-0.01W_p}C_crt_I/ L₀(С_сгt₁+х₀i_n-J₀)-{1-∑ [0.09n/(12m+n)]C_mH_n+0.01W_p]i_n+ W_gi_n}/ L₀(С_сгt₁+х₀i_n-J₀)

=[49538.59*0.95+2.23*20]/[17.9(1.1*380+0.0086*3241.6-37.152)-(1-2.29)*(1.1*380/408.73)-(2.29*3241.6/408.73) = 6.45

Количество воздуха, подаваемого в смеситель на 1 кг природного газа для разбавления до t₁=380°C: L_см=L₀(α ₂-α _m)=17, 9(6, 45-2, 2)=76, 075 кг/кг

Количество сухой смеси топочных газов с воздухом на 1 кг природного газа:

l″ _cг=l′ _сг+L_cм=38, 094+76, 075=114, 17 кг/кг

Количество паров воды в смеси топочных газов с воздухом, полученных при сжигании 1 кг природного газа:

d" =d'+L_смx₀=2, 63+76, 075·0, 0086=3, 28 кг/кг

Влагосодержание смеси топочных газов с воздухом на выходе из смесителя:

x₁=x″ =d″ /l″ _сг=3, 28/114, 17=0, 029 кг/кг

Расход природного газа на сушку соснового опила в трубе-сушилке:

В=L₁/l″ _сг=1, 4/114, 17=0, 012 кг/с=44, 14 кг/ч,

где L₁=1, 4 кг/с [см. расчет расхода сушильного агента].

Объем топочной камеры:

V_гор=Q_н^рВ/q_v=49321, 09·44, 14/1260·10³=1, 72 м³

где q_v=1260·10³ кДж/(м³·ч) [3, табл. 3].

Принимаем соотношение длины к диаметру топки L/D=1, 8

Диаметр топки:

D=(V_гор/0, 785·1, 8)^1/3=(1, 72/0, 785·1, 8)^1/3=1, 07 м.

Принимаем диаметр топки 1070 мм, тогда длина камеры горения будет равна L=1, 8D=1, 8·1, 07=1, 93 м=1, 93 м.

Размеры топки:

V_гор=1, 72 м³;

D=1, 07 м;

L=1, 93 м.