Модель сжигания доменного газа в смешивающем подогревателе перед газовой утилизационной безкомпрессорной турбиной Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

DOI 10.23859/1994-0637-2018-1-83-2 УДК 662.6/.9

© Лукин С.В., Бахвалов М.А., Антонова Ю.В., Мухин В. В., Кузьминов А.Л., 2018

Лукин Сергей Владимирович

Доктор технических наук, профессор, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: s.v.luk@yandex.ru

Бахвалов Максим Андреевич

Специалист, ПАО «Северсталь»

(Череповец, Россия)

E-mail: ilikepirogok@gmail.ru

Lukin Sergey Vladimirovich

Doctor of Technical Sciences, professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia). E-mail: s.v.luk@yandex.ru

Bahvalov Maxim Andreevich

Specialist, PC «Severstal" (Cherepovets, Russia) E-mail: ilikepirogok@gmail.ru

Антонова Юлия Валерьевна

Кандидат технических наук, доцент, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: iulia.antonowa2010@yandex.ru

Antonova Yulia Valerievna

PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: iulia.antonowa2010@yandex.ru

Мухин Владимир Васильевич

Доктор физико-математических наук, профессор, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: muchinvv@chsu.ru

Кузьминов Александр Леонидович

Доктор технических наук, профессор, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: TSiTB@chsu.ru

Muchin Vladimir Vasilievich

Doctor of Physical and Mathematical sciences, Professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: muchinvv@chsu.ru

Kuzminov Alexander Leonidovich

Doctor of Technical Sciences, Professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: TSiTB@chsu.ru

МОДЕЛЬ СЖИГАНИЯ ДОМЕННОГО ГАЗА В СМЕШИВАЮЩЕМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕ ПЕРЕД ГАЗОВОЙ УТИЛИЗАЦИОННОЙ БЕЗКОМПРЕССОРНОЙ ТУРБИНОЙ

MODEL OF COMBUSTION OF BLAST FURNACE GAS IN A MIXING HEATER BEFORE TOP-PRESSURE RECOVERY TURBINE

Аннотация. В данной статье рассмотрена методика расчета горения доменного газа в смешивающем подогревателе перед газовой утилизационной безкомпрессорной турбиной (ГУБТ), представлена модель и определены факторы, влияющие на калорийность газа на выходе из ГУБТ.

Abstract. This article describes a method for calculating the combustion of blast furnace gas in a mixing heater before top-pressure recovery turbine (TRT), a model and the factors influencing the calorie gas outlet TRT are provided.

Ключевые слова: доменный газ, ГУБТ

Keywords: blast furnace gas, TRT

Введение

При выплавке чугуна в доменных печах сопутствующим продуктом является доменный газ. Он используется как газообразное топливо в доменном, коксохимическом и энергетическом производстве. В состав доменного газа входят: монооксид углерода (23-30 %), водород (1,5-9 %), метан (до 0,5 %), азот (45-52 %) и углекислый газ (16-19 %). Технология доменного процесса влияет на формирование его состава. Выход газа при выплавке 1 т чугуна колеблется от 1600 до 2100 м3. Температура воспламенения доменного газа изменяется от 650 до 700 оС и зависит от его состава.

Для использования потенциальной энергии доменного газа, поступающего из доменной печи, используют газовые утилизационные бескомпрессорные турбины (ГУБТ). Часть из них работают без подогрева газа. При включении в схему смешивающего газоподогревателя и увеличении температуры газа перед турбиной происходит повышение ее мощности.

При положительном влиянии роста температуры газа перед ГУБТ на увеличение мощности турбины происходит увеличение температуры газа и снижение его калорийности.

Потребность в создании данной модели обусловлена необходимостью определения калорийности доменного газа, отдаваемого потребителям, и высокой стоимости систем газового анализа.

Основная часть

В модели сжигания доменного газа в смешивающем подогревателе перед ГУБТ задаются следующие параметры:

- объемный состав сухого доменного газа после газоочистки Xе, %;

- влагосодержание газа после газоочистки dг, г/нм3;

- температура газа после газоочистки ^, оС;

- давление газа после газоочистки рг, МПа;

- температура газа перед ГУБТ , оС;

- температура воздуха перед смешивающим подогревателем /в, оС;

- расход доменного газа перед смешивающим подогревателем 0'т, нм3/ч.

Определяемыми параметрами в модели являются следующие величины:

- расход доменного газа сжигаемого перед ГУБТ ЛОг, нм3/ч;

- расход доменного газа после смешивающего подогревателя О' , нм3/ч;

- состав и калорийность доменного газа после смешивающего подогревателя.

Рассмотрим расчетные формулы, входящие в модель сжигания доменного газа в

смешивающем подогревателе перед ГУБТ.

Пересчет объемного состава газа с сухого на влажный (рабочий) для доменного газа производится по формуле:

хр = Xе.- 100

100 + 0,124. dг

где dг - влагосодержание газа, г/нм3; X - содержание компонента (С02, СО , Н2 Ы2, Н20), % (об.).

Для доменного газа влагосодержание принимают порядка 25-80 г/нм3[2], причем до смешивающего подогревателя часть влаги находится в виде пара, другая часть - в виде взвешенных капель воды:

dг = dг(пар) + dг(вод) .

Величина d г(пар), г/нм3, может быть определена по выражению:

Т' 0 1013 d. . = 1000• р(/') ,

п(пар) и т' 273 рг

где р'') - плотность насыщенного водяного пара, кг/м3, при температуре (по данным таблицам для воды и пара на линии насыщения); Тг' = + 273, К. Величина d г(вод), г/нм3, определяется по выражению:

dг(вод) = dг - dг(пар) •

Если принять, что основными горючими компонентами в доменном газе являются СО, Н2, СН4, то низшая теплота сгорания доменного газа, кДж/нм3, определяется суммированием тепловых эффектов реакций горения по выражению [3]:

= 126 • С0р + 108 • Нр + 358 • СНр •

В первом приближении определяется расход доменного газа, нм3/ч, сжигаемого в смешивающем подогревателе:

ЛО »О•( ^^• г + с • (/"-/') г бнр 11000 г г г

где г = 2418 кДж/кг - теплота испарения воды при 35 оС « 35 оС; сг - теплоемкость доменного газа, кДж/нм3, определяется по формуле:

сг = 0,01 • (СОР • СС02 + СОр • Ссо + НР • Ч + N • Ч + Н2Ор • сН2о),

где теплоемкость отдельных компонентов сх, кДж/нм3, определяется по таблицам при средней температуре газа /г = (г'т + /г") / 2 .

Далее производится расчет полного сгорания 1 нм3 доменного газа, причем коэффициент избытка воздуха можно принять минимальным: а = 1. Теоретический расход сухого кислорода, м3/м3:

Го°2 = 0,01 -[0,5 • (С0с + Н 2) + 02 ]. Теоретический расход сухого окислителя, м3/м3:

С = 100-к0°2/о2оК,

где 02ок - объемное содержание кислорода в окислителе, % (для атмосферного воздуха 21 %).

Расход сухого окислителя при а > 1:

V =а-ко

у ок у ок •

Выход сухих трехатомных газов (СО2), м3/м3:

кС02 = 0,01-(С02 + еос).

Теоретический выход азота, м3/м3:

= 0,01 - (к 2 + к^-Кок),

где К2ок - объемное содержание азота в окислителе, % (для атмосферного воздуха 79 %).

Теоретический выход водяных паров, м3/м3:

Кн°20 = 0,01-Н2 + 0,00124 - « + а ок -Коок),

где аок - влагосодержание окислителя, г/м3, для атмосферного воздуха можно принять аок = 0,13 г/м3.

Выход продуктов полного сгорания при а>1, м3/м3:

Кк2 = кк + 0,01-(а-1)-кок -К2ок, Кн2о = Кн°2о + 0,00124 - аок - (а -1)-К;к, V = Ксо2 + Кк2 + Кн2о + (а-1)-ко . Объемный состав продуктов полного сгорания, %, определяется по формуле:

х = 100-кх/V ,

пг X г >

где Хпг - содержание компонента (С02, 02, N2, Н20), % (об.); Кх - выход продуктов сгорания, м3/м3.

Определяется расход воздуха на горение доменного газа, нм3/ч:

Оъ = Кок -АОг.

Находится более точный расход сжигаемого доменного газа, нм3/ч:

аог - г+сг - (/;-/г )1+ов - св'/в).

О{^

1 ер 11000 ■ ■ ~г ч"г г/у ер

Определяется выход продуктов горения доменного газа

О„; = Кг -АО;

п.г. г г *

и выход отдельных компонентов, нм3/ч:

Охпг = 0,01 - Хпг - О

пг

где Хпг - содержание компонента (С02, 02, К2, Н20), % (об.), в продуктах сгорания.

Расход доменного газа после подогрева перед ГУБТ, нм3/ч, находится по формуле:

о;' = о;-аог +оп.г. .

Определяется расход компонентов перед смешением с продуктами горения,

нм3/ч:

о'х = 0,01 - хр - (о;-Аог ).

Определяется расход каждого компонента в доменном газе после подогрева перед ГУБТ, нм3/ч:

ОХ = О'х + ОХп.г. .

Определяется объемный рабочий состав доменного газа после подогрева, %:

о''

х -100.

р о;

По данному составу определяется теплота сгорания доменного газа на выходе из ГУБТ.

В качестве начальных параметров заданы следующие данные: расход доменного газа перед смешивающим подогревателем - 282 тыс. м3/час, влажность газа на выходе из газоочистки - 80 г/м3, калорийность газа на выходе из газоочистки на сухой состав - 3719 кДж/м3, температура газа на выходе из газоочистки - 40 оС, содержание кислорода в дутье 21 %, температура дутья - 30 оС [4].

На рисунке представлены полученные зависимости изменения объема и калорийности доменного газа на входе в ГУБТ от изменения степени подогрева доменного газа в смешивающем подогревателе.

По данному графику видно, что при неизменных начальных параметрах и изменении степени подогрева доменного газа перед ГУБТ с 80 до 140 оС происходит снижение его калорийности с 3119 до 2984 кДж/м3, при этом объем увеличивается до 294,4 тыс. нм3/час.

тыс.нм^/ч кДж/нм3

294 293 292 291 290 289 rj* 3100 3050 зооо 2950 2900

яг' - "

80 90 эсход газа пе[ 100 ед ГУБТ нмЗ/ 110 ч -•- 120 Калорийность 130 газа перед Г1 140 °С /Ь1 кДж/нмЗ

Рисунок. Изменение объема и калорийности доменного газа перед ГУБТ

Выводы

В статье рассмотрена методика расчета горения доменного газа в смешивающем подогревателе перед ГУБТ и проведен анализ влияния степени подогрева доменного газа на его параметры после смешивающего подогревателя. Расчетные данные наглядно показывает влияние параметров горения доменного газа перед ГУБТ на конечный продукт, отпускаемый потребителям.

Литература

1. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. 256 с.

2. Сазанов Б.В., Ситас В.И. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1990. 304 с.

3. ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа воббе.

4. Газовая утилизационная бескомпрессорная турбина типа ГУБТ. URL: http://www.utz.ru/cgi-bin/catalog/viewgroup.cgi?prigroup=6.

References

1. Teplovoi raschet kotlov (Normativnyi metod). St Peterburg: NPO TSKTI, 1998. 256 p.

2. Sazanov B.V., Sitas V.I. Teplo-energeticheskiie sistemy promyshlennykh predpriiatii [Heat power systems of industrial enterprises]. Moscow: Energoatomizdat, 1990. 304 p.

3. GOST 22667-82 Gazy goriuchiie prirodnyie. Raschetnyi metod opredeleniia teploty sgoraniia, otnositel'noi plotnosti i chisla vobbe [Combustible natural gases. The calculation method for determining the heat of combustion, the relative density and the number of wobbles].

4. Gazovaia utilizatsionnaia beskompressornaia turbina tipa GUBT [Gas utilization recuperator compressor turbine type GUBT]. Available at: http://www.utz.ru/cgi-bin/catalog/ view-group.cgi?prigroup=6.

Для цитирования: Лукин С.В., Бахвалов М.А., Антонова Ю.В., Мухин В.В., Кузьминов А. Л. Модель сжигания доменного газа в смешивающем подогревателе перед газовой утилизационной безкомпрессорной турбиной // Вестник Череповецкого государственного университета. 2018. №2(83). С. 18-24. DOI 10.23859/1994-0637-2018-1-83-2

For citation: Lukin S.V., Bahvalov M.A., Antonova Yu.V., Muchin V.V., Kuzminov A.L. Model of combustion of blast furnace gas in a mixing heater before top-pressure recovery turbine. Bulletin of the Cherepovets State University, 2018, no. 2 (83), pp. 18-24. DOI 10.23859/1994-0637-2018-1-832