TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- CHƯƠNG I TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU I.CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU 1.Nhiên liệu : Dầu FO 2.Thành phần của dầu FO: THÀNH PHẦN CỦA DẦU FO Nguyên tố C c H c O c N c S c A k W d Thành phần khối lượng [%] 87,70 8,64 0 2,16 1,50 0,30 1,40 3.Nhiệt độ trước không khí : t kk = 300 [ o C] 4.Nhiệt độ nung trước nhiên liệu : t dầu = 110 [ o C] 5.Hệ số tiêu hao không khí : dự tính dùng mỏ phun thấp áp , chọn n = 1,2 6.Loại lò : Lò nung liên tục II.TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU II.1.Chuyển đổi thành phần nhiên liệu về thành phần dùng : a.Hệ số chuyển đổi thành phần khô sang thành phần dùng : K k_d = 100 100 1,40 0,986 100 100 d W− − = = b.Hàm lượng tro tính theo thành phần dùng : d k k_d A = K .A = 0,986.0,30 0,2958= [%] c.Hệ số chuyển đổi từ thành phần cháy sang thành phần dùng: d d c_d 100 - (A + W ) 100 - (0,2958 +1,40) K = = = 0,983 100 100 d.Thành phần các nguyên tố tính theo thành phần dùng : Công thức tổng quát : d c c_d X =X .K Trong đó : X d : Thành phần dùng của nguyên tố “X” X c : Thành phần cháy của nguyên tố “X” Thành phân dùng của các nguyên tố ( Xem bảng I.1) Bảng I.1 : Thành phần dùng của dầu FO Nguyên tố C d H d S d O d N d A d W d Thành phần dùng [%] 86,21 8,49 1,48 0 2,12 0,30 1,40 II.2.Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu (Q t [kJ/kg] ) ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 1 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- Q td = 339,1.C d + 1255,8.H d – 108,8.(O d – S d ) – 25,1.( W d + 9.H d ) = 339,1.86,21 + 1255,8.8,49 – 108,8.(0–1,48)–25,1.(1,40 + 9.8,49) = 38096,75 [kJ/kg] Q t d = 38096,75 [kJ/kg] II.3.Chọn hệ số tiêu hao không khí n : Khi chọn hệ số tiêu hao không khí , ta phải dự đoán trước sẽ sử dụng mỏ đốt nào ? ở bản thiết kế này ta đốt dầu FO bằng mỏ phun thấp áp , ta chọn hệ số tiêu hao không khí n = 1,2 II.4.Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu : Tính toán sự cháy của nhiên liệu được thực hiện theo phương pháp lập bảng .Trong bảng này ta tính cho 100 kg nhiên liệu sau đó quy đổi về 1 kg .Các kết quả tính toán trong bảng I.2 II.5.Bảng cân bằng khối lượng : Để kiểm tra độ chinh xác của các số liệu tính toán trong bảng I.2, ta lập bảng cân bằng khối lượng (Bảng I.3) Về nguyên tắc : Σ Khối lượng của các chất tham gia phản ứng = Σ Khối lượng sản phẩm cháy tạo thành + tro Bảng I.3: Bảng cân bằng khối lượng CHẤT THAM GIA SỰ CHÁY SẢN PHẨM CHÁY TẠO THÀNH Nhiên liệu Chất Công thức tính Đơn vị Chất Công thức tính Đơn vị [kg] Dầu FO 100 CO 2 7,18.44 315,92 H 2 O 4,33.18 77,94 N 2 42,35.28 1185,80 Không khí O 2 11,23.32 359,36 O 2 1,87.32 59,84 N 2 42,25.28 1183,00 SO 2 0,05.64 3,20 ΣA = 1642,36 [kg] ΣSPC = 1642,70 [kg] ΣSPC + A d = 1642,70 + 0,30 = 1643 ΣB = 1643 [kg] ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 2 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu Tính cho 100 kg NL CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG CHÁY SẢN PHẨM CHÁY ĐƯỢC TẠO THÀNH Nhiên liệu Không khí CO 2 H 2 O SO 2 O 2 N 2 Tổng cộng Nguyên tố [%] Khối lượng Phân tử Số [kmol] O 2 [kmol] N 2 [kmol] Tổng cộng [kmol] [m 3 tc ] C d 86,21 86,21 12 7,18 7,18 9,36 . 3,762 9,36+35,21 45,43.22,4 7,18 H d 8,49 8,49 2 4,25 2,13 4,25 S d 1,48 1,48 32 0,05 0,05 0,05 O d 0 0 32 0 0 - N d 2,12 2,12 28 0,08 - W d 1,40 1,40 18 0,08 - 0,08 A d 0,30 0,30 - - - n = 1 100 100 9,36 35,21 44,57 998,37 7,18 4,33 0,05 - 35,29 46,85 1048,44 n = 1,2 11,23 42,25 53,48 1198,04 7,18 4,33 0,05 1,87 42,35 55,78 1249,47 Thành phần [%] 21 79 100 12,87 7,76 0,09 3,35 75,93 100 ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 3 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- Đánh giá sai số: ΣB - ΣA 1643 1642,36 δ%= .100% .100 0,039 [%] ΣA 1642,36 − = = Nhận xét: Sai số δ = 0,039 [%] chứng tỏ các số liệu tính toán trong bảng I.2 là đáng tin cậy II.6.Khối lượng riêng của sản phẩm cháy (ρ 0 [kg/m 3 tc ] ) 3 0 tc n ΣSPC 1643 ρ = = 1,315 [kg/m ] 100.V 1249,47 = Trong đó: ΣSPC = 1643 [kg] (Xem bảng I.3) 100.V n = 1249,47 [m 3 /m 3 tc ] (Xem bảng I.2) ρ 0 = 1,315 [kg/m 3tc ] II.7.Nhiệt độ cháy của nhiên liệu (t [ o C] ) II.7.1.Nhiệt độ cháy lý thuyết: Nhiệt độ cháy lý thuyêt là nhiệt độ của sản phẩm cháy có được khi tất cả nhiệt lượng sinh ra trong khi cháy nhiên liệu được tập trung cho sản phẩm cháy ( không có tổn thất nhiệt ) Σ 1 lt 2 1 1 2 1 i - i t = .(t - t ) + t i - i Trong đó: t lt : Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu [ o C] i 1 ,i 2 : Entanpy của sản phẩm cháy tương ứng với nhiệt độ t 1 , t 2 [kJ/m 3 tc ] i Σ : Entanpy của sản phẩm cháy tương ứng với nhiệt độ tlt [kJ/m 3 tc ] d t nl kk n Σ n n n Q i i .L .f i = + + V V V Trong đó: Q t d : Nhiệt trị thấp của dầu FO, Q t d = 38096,75 [kJ/kg] f : Tỷ lệ nung trước không khí f = 1 ( Nung 100% không khí) t nl : Nhiệt độ nung trước của nhiên liệu (dầu FO ) tdầu = 110 [ o C] C nl : Nhiệt dung riêng của dầu; C dầu = 2,17 [kJ/kg.K] i kk : Entanpy của không khí ở nhiệt độ t kk = 300 [ o C] Từ phụ lục II [2] ta có: i kk = 394,8 [kJ/m 3 tc ] i nl : Entanpy của dầu FO ở nhiệt độ t dầu = 110 [ o C] ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 4 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- i nl = Cd ầu .t dầu = 2,17.110 = 238,7 [kJ/m 3 tc ] V n = 12,50 [m 3 /m 3 tc ] L n = 11,98 [m 3 /m 3 tc ] Vậy : 3 Σ tc 38096,75 238,7 394,8.11,98.1 i 3445,21 [kJ / m ] 12,50 + + = = i Σ = 3445,21 [kJ/m 3 tc ] Giả thiết : t 1 < t lt < t 2 i 1 < i Σ < i 2 Chọn : t 1 = 2000 [ o C] t 2 = 2100 [ o C] Để tính Entanpy của sản phẩm cháy tương ứng với t 1 = 2000 [ o C] và t 2 = 2100 [ o C] ta phải tìm Entanpy của các khí thành phần ứng với 2 nhiệt độ này. Tra bảng 16 trang 48 ta có Entanpy của sabr phẩm cháy ứng với t 1 = 2000 [ o C] và t 2 = 2100 [ o C] Khi thành phần Entanpy i [kJ/m 3 tc ] t 1 = 2000 [ o C] t 2 = 2100 [ o C] CO 2 4910,5 5186,8 N 2 2970,2 3132,8 O 2 3142,8 3314,0 H 2 O 3889,7 4121,8 SO 2 4049,9 4049,9 Tính i 1 và i 2 Với các giá trị Entanpy vừa tìm được ta có: i 1 = i 2000 = 0,01.(CO 2 .i CO2 + H 2 O.i H2O + N 2 .i N2 + O 2 .i O2 + SO 2 .i SO2 ) =0,01.(12,87.4910,5 + 7,76.3889,7 + 75,93.2970,2 + 3,35.3142,8 + 0,09.4049,9) = 3298 [kJ/m 3 tc ] i 1 = 3298 [kJ/m 3 tc ] i 2 = i 2100 = 0,01.(CO 2 .i CO2 + H 2 O.i H2O + N 2 .i N2 + O 2 .i O2 + SO 2 .i SO2 ) = 0,01.(12,87.5186,8 + 7,76.4121,8 + 75,93.3132,0 + 3,35.3314,9 + 0,09.4049,9) =3480 [kJ/m 3 tc ] i 2 = 3480 [kJ/m 3 tc ] ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 5 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- Như vậy thoả mãn giả thiết dã chọn : i 1 < i Σ <i 2 Tính t lt : Σ 1 lt 2 1 1 2 1 i - i t = .(t - t ) + t i -i o 3445,21 3298 .(2100 2000) 2000 2080,9 [ C] 3480 3298 − = − + = − t lt = 2080,9 [ o C] II.7.2.Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu ( t tt [ o C] ) Trong thực tế nhiệt lượng sinh ra do đốt cháy nhiên liệu , ngoài việc làm tăng nhiệt độ sản phẩm cháy còn tổn thất ra ngoài môi trường xung quanh, vì vậy nhiệt độ cháy thực tế thấp hơn nhiệt độ cháy lý thuyết vừa tính được: t tt =η.t lt [ o C] Trong đó: t tt : Nhiệt độ cháy thực tế [ o C] η : Hệ số nhiệt độ, η phụ thuộc vào loại lò, ở đây loại lò liên tục, theo bảng 14_trang 39 [1] ta chọn η = 0,7 t lt : Nhiệt độ cháy lý thuyết [ o C] t tt = η.t lt = 0,7.2080,9 = 1456,6 [ o C] t tt = 1456,6 [ o C] II.8.Các kết quả tính toán: Kết quả tính toán được trình bày trong bảng I.4 Bảng I.4 : Các kết quả tính toán L n [m 3 tc /kg] V n [m 3 tc /kg] ρ 0 [kg/m 3 tc] Nhiệt độ [ o C] Sản phẩm cháy [%] t lt t tt CO 2 H 2 O O 2 N 2 SO 2 11,98 12,50 1,315 2080, 9 1456,6 12,87 7,76 3,35 75,93 0,09 ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 6 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- CHƯƠNG II TÍNH THỜI GIAN NUNG KIM LOẠI I.CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU 1.Năng suất của lò: P = 18 [tấn/h] = 18000 [kg/h] 2.Kích thước vật nung: Φ90.2200 [mm] 3.Thành phần của thép: THÀNH PHẦN THÉP C Mn Si 0,2 % 0,31 % 0,1 % 4.Nhiệt độ ra lò của vật nung: t kl ra = 1200 [ o C] 5.Thành phần của sản phẩn cháy: Thành phần sản phẩn cháy đã được tính ở chương I bảng I.2 THÀNH PHẦN THỂ TÍCH CỦA SẢN PHẨM CHÁY [%] Chất CO 2 H 2 O SO 2 O 2 N 2 Giá trị 12,4 8,48 0,12 3,34 75,66 II.TÍNH THỜI GIAN NUNG II.1.Chọn giản đồ nung: Phôi nung có kích thước Φ90.2200 [mm]. Để tránh gây ứng suất nhiệt bên trong kim loại ta chọn giản đồ nung 3 giai đoạn. (giản đồ nung được trình bày trong hình II.1) Trong đó: t k 1 :Nhiệt độ sản phẩm cháy ở đầu vùng sấy , t k 1 = 700 [ o C] t k 2 : Nhiệt độ sản phẩm cháy ở cuối vùng sấy, t k 2 = 1300 [ o C] t k 3 : Nhiệt độ sản phẩm cháy cuối vùng nung, t k 3 = 1300 [ o C] t k 4 : Nhiệt độ sản phẩm cháy ở cuối vùng đồng nhiệt, t k 4 = 1250 [ o C] t m 1 , t t 1 : Nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ tâm của phôi ở đầu vùng sấy t m 1 = t t 1 = 20 [ o C] t m 2 : Nhiệt độ bề mặt của phôi ở đầu vùng nung, t m 2 = 600 [ o C] t m 3 : Nhiệt độ bề mặt của phôi ở đầu vùng đồng nhiệt, t m 3 = 1200 [ o C] t m 4 : Nhiệt độ bề mặt của phôi ở cuối vùng đồng nhiệt, t m 4 = 1200 [ o C] t t 2 : Nhiệt độ tâm phôi ở cuối vùng sấy, t t 2 = ? ( phải tính ) ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 7 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- t t 3 : Nhiệt độ tâm phôi ở đầu vùng đồng nhiệt, t t 3 = ? ( phải tính ) t t 4 : Nhiệt độ tâm phôi ở cuối vùng đồng nhiệt, t t 4 = ? ( phải tính ) Hình II.1 : Giản đồ nung 3 giai đoạn Phôi vào lò có nhiệt độ: t m 1 = t t 1 = 20 [ o C] Phôi nung một mặt và được xếp hai dãy. Nhiệt độ tâm phôi được chọn theo nhiệt độ chênh lệch cho phép giữa bề mặt và tâm phôi [∆t] = 15 [ o C] Phôi có chiều dày thấm nhiệt : S T = η.S Trong đó: S T : Chiều dày thấm nhiệt của phôi nung [m] S : Chiều dày phôi, S = 0,09 [m] η : Hệ số không đối xứng, η = 0,8 S T = η.S = 0,8.0,0,09 = 0,072 [m] = 0,72 [dm] Vậy độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi cuối giai đoạn đồng nhiệt : ∆t = S T .[∆t] = 0,72.15 = 10,8 [ o C] Vậy nhiệt độ tâm phôi cuối giai đoạn đồng nhiệt : t t 4 = t t 4 - ∆t = 1200 – 10,8 = 1189,2 [ o C] II.2.Tính thời gian nung: ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 1400 1200 1000 800 600 400 200 t k 2 t 1 k 2 m t t t 2 k t 3 3 m t t t 3 t k 4 m t 4 t t 4 m t 1 1 t t = t [°C] τ sấy τ nung τ đ.nhiệt τ [h] 8 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- II.2.1. Các kích thước cơ bản của nội hình lò: II.2.1.1. Chiều ngang lò được xác định theo công thức: B = n.l + (n – 1).c + 2.b [m] Trong đó: n : Số dãy phôi n = 2 l : Chiều dài phôi nung l =2,2 [m] b : Khoảng cách giữa đầu phôi và tường lò b = 0,25 [m] c : Khoảng cách giữa các dãy phôi c = 0,1 [m] Vậy ta có : B = 2.2,2 + (2 – 1).0,1 + 2.0,25 = 5 [m] B = 5 [m] II.2.1.2. Chiều cao của lò: a. Chiều cao vùng sấy H s [m]: Chiều cao có hiệu của vùng sấy được xác định theo công thức: H s ch = 10 -3 .t k tb .( A + 0,05.B) Trong đó: t k tb : Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy k k k o 1 2 tb t + t 700+1300 t = = = 1000 [ C] 2 2 A : Hệ số thực nghiệm. Khi t k tb = 1000 [ o C]. ta có A = 0,6 B : Chiều ngang lò, B = 5 [m] H s ch = 10 -3 .t k tb .( A + 0,05.B) ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp B b b c 9 SV:Giang Ngân Hà PGS.TS.Phạm Văn Trí -------------------------------------------------------------------------------------------- H s ch = 10 -3 .1000.( 0,6 + 0,05.5) = 0,85 [m] Chiều cao thực tế của vùng sấy: H s tt = n.H s ch + S Trong đó: n : Số mặt nung của vùng sấy: S : Chiều dày phôi, S = 0,14 [m] H s tt = n.H s ch + S H s tt = 1.0,85 + 0,09 = 0,94 [m] H s tt = 0,94 [m] b. Chiều cao vùng nung H n [m] Chiều cao có hiệu của vùng nung được xác định theo công thức: H n ch = k.B chọn k = 0,25 H n ch = 0,25.5 = 1,25 [m] Chiều cao thực tế của vung nung : H n tt = n.H n ch + S H n tt = 1.1,25 + 0,09 = 1,34 [m] H n tt = 1,34 [m] c. Chiều cao vùng đồng nhiệt H đn [m]: Chiều cao có hiệu của vùng đồng nhiệt được xác định theo công thức : H đn ch = 10 -3 .t k tb .( A + 0,05.B) Trong đó: t k tb : Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng đồng nhiệt k k k o 1 2 tb t + t 1250 +1300 t = = = 1275 [ C] 2 2 A : Hệ số thực nghiệm. Khi t k tb = 1250 [ o C]. ta có A = 0,6 B : Chiều ngang lò, B = 5 [m] Vậy ta có : H đn ch = 10 -3 .t k tb .( A + 0,05.B) H đn ch = 10 -3 .1275.(0,6 + 0,05.5) = 1,08 [m] Chiều cao thực tế vùng đồng nhiệt: H đn tt = n.H đn ch + S H đn tt = 1.1,08 + 0,09 = 1,17 [m] H đn tt = 1,17 [m] II.2.2. Tính thời gian nung phôi trong vùng sấy ( τ s [h] ) Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy: ------------------------------------------------------------------------------------------- Đồ án lò công nhiệp 10