ЗАДАНИЕНА КУРСОВУЮ РАБОТУ И УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ
Задание
1. Выполнить термохимический расчет процесса горениясмеси отходящих газов сажевого производства с природным газом вкотле-утилизаторе, включая определение теоретической температуры горения.
2. Вычислить составляющие теплового баланса котла-утилизатораи его тепловой коэффициент полезного действия (коэффициент использования теплоты).Построить диаграмму потоков энергии в котле-утилизаторе (диаграмму Сенкея).
3.Оценить фактическую паропроизводительность котла.
4.Выполнитьэксергетический анализ эффективностикотла-утилизатораи построить диаграмму потоков эксергии в котле-утилизаторе (диаграмму Грассмана-Шаргута).
5.Найти исходя из условия рассеивания в атмосфере вредных компонентов продуктовсгорания требуемую высоту дымовой трубы.
6.Оценить экономию топлива за счет утилизации энергии отходящих газов сажевогопроизводства.
Указанияк выполнению работы
1. Исходные данные для расчета берутся из приведенныхниже таблиц (табл. 1, 2, 3) в соответствии с заданным преподавателем номером варианта.
2.Выполненную работу (расчеты и необходимые пояснения) оформить в видепояснительной записки. Записка должна содержать: введение (назначениекотла-утилизатора, его краткое описание, цель расчетов); исходные данные;расчетные формулы и результаты расчетов; построенные в масштабе диаграммыСенкея и Грассмана-Шаргута; выводы об термодинамической эффективности котлаутилизатора и возможных путях ее повышения.Таблица 1
/> Типоразмер котла ПКК Параметры котла Данные к расчету котла D, т/ч р, Мпа
tпп, °С
Вогм3/с x
qХ, %
qНО, % a 100/2,4-200-5 100 2,4 370 17,0 0,05 1,0 0,7 1,30 1 75/2,4-150-5 75 2,4 370 12,5 0,04 1,1 0,8 1,28
/> Типоразмер котла ПКК Параметры котла Данные к расчету котла D, т/ч р, МПа
tП.П, °С
ВО.Г, м3/с х
qХ, %
qН.О, %
aТ 2 75/4,5-150-5 75 4,5 440 12,5 0,03 1,2 0,8 1,26 3 30/2,4-70-5 35 2,4 370 5,5 0,035 1,3 1,1 1,24
Примечание.В табл.1 использованы следующие обозначения: D,р, tпп– соответственно паропроизводительность, давление и температура вырабатываемогопара, относящиеся к номинальному режиму работы котла; Bог– расход сухих отходящих газов сажевого производства; х – объемная доля природногогазообразного топлива в смеси с отходящими газами; qХ,qН.О– доли располагаемой теплоты, теряемые соответственно от химической неполнотысгорания и наружного охлаждения; a – коэффициент избыткавоздуха в топке.Таблица 2Характеристики отходящихгазов сажевого производства Объемный состав сухой массы отходящих газов, %
WР, %
tог, °С
CO2 CO
H2
H2S
CH4
O2
N2 4,0 16,20 12,10 0,30 0,20 0,30 66,90 35,0 167 1 3,9 16,25 12,08 0,32 0,19 0,31 66,95 34,5 171 2 3,8 16,30 12,06 0,34 0,18 0,32 67,00 34,0 175 3 3,7 16,35 12,04 0,36 0,17 0,33 67,05 33,5 179 4 3,6 16,40 12,02 0,38 0,16 0,34 67,10 33,0 183 5 4,1 16,15 12,00 0,40 0,15 0,35 66,85 35,0 167 6 4,2 16,10 12,12 0,28 0,21 0,29 66,80 35,5 163 7 4,3 16,05 12,14 0,26 0,22 0,28 66,75 36,0 159 8 4,4 16,00 12,16 0,24 0,23 0,27 66,70 36,5 155 9 4,5 15,95 12,18 0,22 0,24 0,26 66,65 37,0 151
Примечание.В табл.2 WР –объемная доля (в %) влаги в рабочей массе отходящих газов; tог– температура отходящих газов.Таблица3
Теплота сгорания, расход воздуха нагорение и объемы продуктов сгорания природных газообразных топлив Газопровод
/>кДж/м3
/>,
м3/м3
/>м3/м3
/>м3/м3
/>, м3/м3 Кумертау‑Магнитогорск 36830 9,74 1,06 7,79 2,13 1 Шебелинка‑Брянск – Москва 37900 9,98 1,07 7,90 2,22 2 Саратов‑Москва 35820 9,52 1,04 7,60 2,10 3
Кулешовка ‑ Самара
(попутный газ) 41770 10,99 1,26 8,82 2,28 4 Бухара‑Урал 36750 9,73 1,04 7,70 2,18 5 Средняя Азия‑Центр 37580 9,91 1,07 7,84 2,21 6 Оренбург ‑ Совхозное 38050 10,05 1,08 7,94 2,23 7 Серпухов ‑ Санкт-Петербург 37460 10,00 1,08 7,93 2,21 8 Ставрополь‑Невинномысск 35660 9,47 1,00 7,49 2,14 9 Саушино –Лог ‑ Волгоград 35150 9,32 0,98 7,39 2,10
Примечание.В табл.3 использованы следующие обозначения: /> –низшая теплота сгорания сухого природного газа (ПГ); /> –теоретически необходимый объем воздуха для полного сжигания 1 м3 ПГ;/> – объем сухихтрехатомных газов в продуктах сгорания ПГ; />,/> – теоретическиеобъемы азота и водяного пара в продуктах сгорания ПГ.
1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1Ознакомиться с устройством котлов-утилизаторов
1.2Получить практические навыки проведения термодинамического анализаэффективности агрегатов энерготехнологических систем и протекающих в нихпроцессов.
2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1Проведение термодинамического анализа эффективности котла-утилизатораэнергетическим и эксергетическим методами.
2.2Оценка экономии топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов сажевогопроизводства.
2.3Расчет дымовой трубы котла-утилизатора из условия рассеивания в атмосфере вредныхкомпонентов продуктов сгорания.
3.УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Проблема экономного расходованиятопливно-энергетических ресурсов является чрезвычайно важной в современнойхозяйственной деятельности.
Значительнаяэкономия топливно-энергетических ресурсов и снижение вредного воздействияпроизводства на окружающую среду могут быть достигнуты при более широкомвовлечении в топливно-энергетический баланс вторичных энергоресурсов (ВЭР), подкоторыми подразумевают энергетический потенциал продукции, побочных ипромежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках,процессах). Вторичные энергоресурсы имеются практически во всех отрасляхпромышленности, где применяются энерготехнологические процессы, в первуюочередь высокотемпературные. Коэффициент полезного теплоиспользования длямногих энерготехнологических процессов не превышает 15–35%.
Вторичныеэнергоресурсы могут быть разделены на две основные группы:
горючие(топливные) ВЭР – горючие газы плавильных печей (доменный, колошниковый шахтныхпечей и вагранок, конвертерный и т. д.), горючие отходы процессов химической итермохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья и др.;
тепловыеВЭР – физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов, теплотарабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов,теплота горячей воды и пара, отработавших в технологических и силовыхустановках и др.
Утилизациюгорючих и тепловых ВЭР осуществляют в котлах-утилизаторах (КУ), которые обеспечиваютполучение за счет использования энергии этих ВЭР дополнительной продукции ввиде энергетического или технологического пара, горячей воды, какого-либодругого теплоносителя, что приводит к экономии топлива на предприятии.Котлы–утилизаторы устанавливают за печами и реакторами в химическойпромышленности, за мартеновскими и нагревательными печами в черной металлургиии т. п. Если используется лишь физическая теплота отходящих газов этихпроизводств, то КУ топочного устройства не имеют и, по существу, представляютсобой теплообменники. Если же отходящие газы содержат в своем составе горючиекомпоненты то, для их сжигания котлы-утилизаторы снабжаются топочнымустройством. В случае использования отходящих газов с незначительнымсодержанием горючих компонентов и малой теплотой сгорания, например, газовсажевого производства, их сжигают в смеси с природным газом или мазутом.
3.1Котлы-утилизаторы в сажевом производстве
Сажевыезаводы относятся к числу предприятий, в которых образуется большое количествоотходящих газов, содержащих примерно 20 % горючих компонентов (СО, Н2и др.) и 80% балласта (СО2, N2и др.), в том числе около 40% водяных паров. Вследствие сильнойзабалластированности и малой теплоты сгорания для эффективного их сжигания вкотлах-утилизаторах к ним добавляют в небольшом количестве природный газ илимазут, имеющие высокую теплоту сгорания.
Специальнодля сжигания отходящих газов сажевого производства разработана серияунифицированных котлов типа ПКК (пакетно-конвективный котел). Его продольныйразрез показан на рис.1 Котлы типа ПКК однобарабанные, конвективные, сестественной циркуляцией.
Отходящиегазы сажевого производства вместе с природным газом или мазутом поступают черезгорелку 1 в неэкранированный предтопок 2, где и сжигаются. Из предтопкапродукты сгорания проходят конвективные испарительные секции 3,пароперегреватель 4, воздухоподогреватель 7, и экономайзер 8. Все элементыкотла состоят из системы труб, нагреваемых омывающими их продуктами сгорания.Однако использование теплоты продуктов сгорания в них различно: в трубахиспарительных секций происходит кипение воды и образование пара, которыйпоступает затем в барабан 5; в пароперегревателе пар, поступающий из барабана,перегревается до температуры выше температуры насыщения; в воздухоподогревателеподогревается воздух перед подачей в предтопок; в экономайзере подогреваетсяпитательная вода, поступающая в котел.
4.ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
4.1Состав продуктов сгорания
Дляоценки термодинамической эффективности использования ВЭР в котле утилизаторенеобходимо знать температуру и энтальпию продуктов сгорания смеси отходящихгазов с природным. Указанные параметры определяются на основе термохимическогорасчета процесса горения. Этот расчет включает определение теоретическинеобходимого для полного сжигания горючей газовой смеси объема воздуха,действительного объема воздуха, подаваемого в топку котла, объемов продуктовсгорания (ПС), теплоты сгорания газовой смеси, теоретической температурыпродуктов сгорания. При этом для газообразных топлив указанные объемы принятонаходить в расчете на 1 м3 объема сухой части сжигаемого газа.
Пригорении горючие элементы топлива (CO,H2,H2S,CH4и другие) взаимодействуют с окислителем – кислородом воздуха, и образуют окислыCO2,SO2,H2Oи др. Кроме того, в продукты сгорания входят негорючие газообразные компонентытоплива и азот, содержащийся в воздухе.
Если приполном сгорании 1 м3 горючих газов объем поданного в топку воздухатаков, что прореагирует весь входящий в него кислород, то такой объем (/>, м3/м3)называется теоретически необходимым. Полученный в этом случае объем продуктовсгорания (/>,м3/м3) называется также теоретическим. Отметим, что здесьи в дальнейшем объемы воздуха и других газов берутся при нормальных физическихусловиях (p=101,3 кПа и T=273 К), а размерность м3/м3 означает объемвоздуха или компонента продуктов сгорания, приходящийся на 1 м3 объемасухой части сжигаемой газовой смеси.
Теоретическийобъем продуктов сгорания состоит из объёмов следующих компонентов:
/>, (4.1)
где
/>
объемсухих трехатомных газов (/>, так как содержание серы втопливе мало); />, /> ‑теоретические объемы азота и водяного пара.
Вдействительности, из-за несовершенства смесеобразования подача в топкутеоретического количества воздуха не обеспечивает полного сгорания топлива. Поэтой причине обычно в топку подают воздуха больше теоретически необходимого:
/>, (4.2)
где/> –действительно поданный в топку объем воздуха, /> – коэффициент избытка воздуха.
Оченьчасто для удаления продуктов сгорания из котельного агрегата их отсасываютдымососом, в результате чего в газоходах котла создается разряжение. Вследствиеэтого через неплотности в обмуровке котла в газоходы может подсасыватьсяатмосферный воздух и величина a будет несколько возрастать подлине газового тракта. При работе котла с воздуходувкой давление в газоходахвыше атмосферного, поэтому подсосов воздуха нет и значение aсохраняется неизменным.
Приa>1в продуктах сгорания появляется избыточный воздух />:
/>. (4.3)
Следствием избытка воздуха, поступающего в топку,является увеличение в продуктах сгорания объема водяных паров на величину />соответствующуюсодержанию водяного пара в избыточном воздухе. С учетом /> действительный объем водяныхпаров в продуктах сгорания
/>, (4.4)
где /> – теоретический объем водяныхпаров в продуктах сгорания при a=1.
4.2 Определениерасходов горючих газов и воздуха
4.2.1 Расход горючихгазов
В предтопке котла-утилизатора типа ПКК сжигается смесьотходящих газов с природным газом (ОГ с ПГ). Объемная доля /> природного газа в этойсмеси составляет:
/>, (4.5)
где/>, /> – расходысоответственно отходящих и природного газов; здесь и далее индексы “ог”, ”пг”означают соответственно отходящие газы и природный газ. Значение /> выбирают, исходя изпараметров и теплоты сгорания отходящих газов. В настоящей курсовой работе этозначение указано в исходных данных. Величина /> при расчетах такжеизвестна, так как она определяется производительностью сажевого производства.Таким образом, исходя из формулы (4.5) можно найти потребный расход природногогаза:
/>. (4.6)
Суммарныйрасход горючих газов составляет:
/>. (4.7)
4.2.2Расход воздуха на горение
Теоретическинеобходимый объем /> (м3/м3)воздуха для полного сжигания 1 м3 смеси ОГ с ПГ определяется по формуле
/> , (4.8)
где/> и /> –соответственно теоретические объемы воздуха для сжигания отходящих газовсажевого производства и природного газа.
Всвою очередь
/>, (4.9)
гдеСО, Н2, Н2Sи другие – объемные доли соответствующих компонентов в отходящих газах, %.
Величина/> такжеможет быть рассчитана по формуле (4.9) или взята из справочника (табл.3).
Действительный объем воздуха /> в м3/м3для сгорания 1 м3 смеси ОГ с ПГ вычисляется по формуле (4.2).
4.3 Объем продуктовсгорания
Объем продуктовсгорания 1 м3 смеси ОГ с ПГ при a>1 находится как сумма объемов их компонентов:
/>. (4.10)
Объемсухих трехатомных газов />определяетсясуммированием объема таких газов, содержащихся в ОГ и получающихся при ихсжигании, с одной стороны, и объема трехатомных газов, образующихся присгорании природного газа:
/>, (4.11)
гдеСО2, CO, Н2S,CmHn–объемные доли соответствующих компонентов в отходящих газах, %, /> –объем сухих трехатомных газов в продуктах сгорания природного газа (см.табл.3).
Теоретическийобъем азота вычисляется следующим образом:
/>, (4.12)
гдеN2(пг)– процентное содержание азота в отходящих газах, /> – объем азота при />в продуктах сгорания природногогаза (см.табл.3).
Объемводяного пара, вносимого в топку отходящими газами и получающегося при ихсгорании, может быть вычислен следующим образом:
/>, (4.13)
где/> –влагосодержание отходящих газов, г/м3. Значение /> находитсяпо формуле
/>, (4.14)
гдеWР– содержание влаги в отходящих газах, %; /> – плотность водяного пара, кг/м3(при нормальных условиях /> = 0,804 кг/м3).
Суммарныйобъем /> водяногопара в продуктах сгорания составляет
/>. (4.15)
Второеслагаемое в правой части равенства (4.15) учитывает образование водяного парапри горении добавки природного газа (см.табл.3), а третье – влагосодержаниевоздуха, подаваемого в топку (принимается, что влагосодержание воздуха равно 10г/м3).
Объемизбыточного воздуха может быть найден по формуле (4.3) или
/>. (4.16)
4.4 Теплота сгораниясмеси газообразных топлив
Низшаятеплота сгорания />, кДж/м3, сухой смесиОГ с ПГ рассчитывается по уравнению:
/>, (4.17)
гдеCO, H2,H2S,… – объемное содержание соответствующих горючих компонентов в отходящих газах,%; 12636, 10798, 23400 и т. д. – низшие теплоты сгорания горючих компонентовотходящих газов, кДж/м3; /> –низшая теплота сгорания сухого природного газа, кДж/м3.
4.5 Энтальпиивоздуха, отходящих газов и продуктов сгорания
Котел-утилизаторс термодинамической точки зрения представляет собой открытую термодинамическуюсистему. Поэтому вычисление составляющих энергетического и эксергетическогобалансов удобно выполнять, используя величину энтальпии продуктов сгорания.Кроме того, требуется знать энтальпии воздуха при различных его температурах.
4.5.1Энтальпия продуктов сгорания
Энтальпияпродуктов сгорания определяется в расчете на 1м3 сухих горючихгазов, поступающих в топку (предтопок) котла-утилизатора. Так как компонентыпродуктов сгорания можно считать идеальными газами, то
/> (4.18)
гдеt – температура газовой смеси; /> – энтальпия i-гокомпонента; /> –средняя в диапазоне температур 0 – t°Собъемная теплоемкость i-гокомпонента в изобарном процессе; /> – парциальный объем i-гокомпонента; N – число компонентов.
Значения/> принелинейной зависимости от температуры могут быть найдены из таблицтермодинамических свойств газов. В инженерных расчетах широко пользуютсяприближенной линейной зависимостью
/>, (4.19)
обеспечивающейдопустимую погрешность в диапазоне t= 0 – 2000 °С. Здесь /> и /> – постоянные интерполяционнойформулы теплоемкости.
Приэтом формула энтальпии смеси (4.18) принимает вид:
/>. (4.20)
Используялинейные зависимости вида (4.19) для отдельных компонентов продуктов сгорания,приведенные в табл. 4, можно на основе выражения (4.20) получить зависимостьэнтальпии продуктов сгорания от температуры
/>, (4.21)
где
/>, />.
Формула(4.21) дает возможность вычислять значение энтальпии продуктов сгорания прилюбой заданной температуре.
4.5.2Энтальпия воздуха
Еслипринять зависимость теплоемкости воздуха от температуры линейной, то согласнотабл.П.2. средняя в диапазоне температур 0 – t °С объемнаятеплоемкость воздуха при постоянном давлении определится так:
/>, (4.22)
Тогдаэнтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сжигания 1 м3смеси ОГ с ПГсоставит:
/>, (4.23)
гдеt – температура воздуха, °С.
Энтальпиядействительного количества воздуха при сгорании 1 м3 смеси ОГ с ПГ,кДж/м3, определится по формуле
/>. (4.24)
4.5.3Энтальпия отходящих газов
Энтальпияотходящих газов определяется по формуле:
/>, (4.25)
гдеt – температура ОГ, °С;/> и /> –коэффициентыформул для средней объемной изобарной теплоемкости i-гокомпонента сухой части ОГ; /> – объемная доля i-гокомпонента в сухой части ОГ (в %); /> – число компонентов в сухой частиОГ; /> –объемная доля влаги в ОГ; />/> - коэффициенты формулы среднейобъемной изобарной теплоемкости для водяного пара. Формула (4.25) учитывает то,что для расчета тепловых балансов в котле–утилизаторе энтальпия отходящих газовдолжна быть отнесена к 1 м3 сухой части этих газов.
4.6Определение теоретической температуры продуктов сгорания
Втопках паровых котлов, работающих на природном газе, мазуте, угольной пыли,стенки топки покрыты экранными трубами, которые защищают конструкцию отвоздействия высоких температур. В котлах-утилизаторах, в которых сжигаетсянизкокалорийное топливо, температуры пламени относительно низкие и потери теплотыв стенки топки нежелательны. По этой причине, в частности, в топочной камерекотлов-утилизаторов типа ПКК экранные трубы отсутствуют. Если не учитыватьпотери теплоты в стенки топочной камеры и принимать, что все полезноетепловыделение в топке затрачивается только на их нагрев, то температурупродуктов сгорания на выходе из топки можно приближенно считать равной такназываемой адиабатной температуре горения />. Последняя находится на основеуравнения сохранения энергии:
/>, (4.26)
где />– энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, /> – доля теплоты,теряемая от химической неполноты сгорания ( %), /> – теплота, вносимая в топку смесью отходящих газов с природным, /> – теплота,вносимая в топку воздухом, приходящим из воздухоподогревателя.
Теплота,вносимая смесью ОГ с ПГ
/> , (4.27)
где/> и /> – теплота,вносимая в топку соответственно отходящими газами и природным газом. Величина /> равняетсяэнтальпии отходящих газов />:
/> (4.28)
Вследствиемалых значений /> и невысокой температурыприродного газа, поступающего в котел-утилизатор, вторым слагаемым в правойчасти уравнения (4.27) можно пренебречь. Тогда с учетом (4.28)
/>. (4.29)
Теплота/>, вносимая втопку с воздухом, равна его энтальпии на выходе из воздухоподогревателя и можетбыть вычислена по формуле (4.24) при условии, что на входе ввоздухоподогреватель температура воздуха составляет 60…80 °С,а в воздухоподогревателе она повышается на 200…250 °С.
Определив/> формуле (4.26),можно найти температуру продуктов сгорания на выходе из топки как
/>. (4.30)
5.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ТЕПЛОВОЙ КПД КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
5.1Составляющие теплового баланса
Тепловойбаланс котла вытекает из закона сохранения энергии и устанавливает равенствомежду количеством подведенной /> и расходуемой /> теплоты. В общем видеон записывается так:
/>=/>. (4.31)
Суммарноеколичество теплоты, внесенной в котел, называется располагаемой теплотой />, котораяявляется приходной частью теплового баланса:
/>=/>. (4.32)
Располагаемаятеплота /> включаетв себя все виды теплоты, внесенной в котел*:
/>, (4.33)
где/> и /> –соответственно низшая теплота сгорания и физическая теплота смеси ОГ с ПГ; /> – теплота,внесенная в котлоагрегат воздухом при подогреве его вне агрегата постороннимисточником энергии (не в воздухоподогревателе котла).
Еслипринять энтальпию воздуха в окружающей среде за начало отсчета, то теплотувнешнего подогрева воздуха /> можно определить по формуле:
/>, (4.34)
где/> и /> –соответственно энтальпии воздуха на входе в воздухоподогреватель котла послеего предварительного подогрева (например, в паровом калорифере) до температуры /> и холодноговоздуха с температурой />. Как было сказано выше в разделе4.6, температуру />принимают равной 60…80 °С.Температура холодного воздуха /> принимается обычно равной 30 °С.
Еслизаписать составляющие расходной части равенства (4.31) применительно к рассматриваемомукотлу-утилизатору, то в развернутом виде уравнение теплового баланса котлабудет иметь вид:
/>, (4.35)
где/> – полезноиспользованная теплота (израсходованная на выработку технологической илиэнергетической продукции, например, на нагрев воды или получение пара заданныхпараметров); />, />, /> – потери теплоты соответственно суходящими газами (продуктами сгорания), химической неполнотой сгорания смеси ОГс ПГ и от наружного охлаждения (в окружающую среду через ограждения котла).
Уравнениетеплового баланса можно записать в виде, где все составляющие выражены впроцентах по отношению к располагаемой теплоте, принимаемой за 100 % (/>= 100%):
/>, (4.36)
где/> и т. д.
5.2Коэффициент использования теплоты
Энергетическаяэффективность котла-утилизатора характеризуется коэффициентом использованиятеплоты, или коэффициентом полезного действия h, %:
/>. (4.37)
Среднестатистическиеданные по тепловым потерям /> и /> приводятся в таблице исходныхданных к настоящей работе. Потеря теплоты с уходящими из котла газами (продуктамисгорания) />,%, определяется по формуле
/>, (4.38)
где/> –энтальпия продуктов сгорания при температуре уходящих газов />; /> – коэффициент избыткавоздуха в уходящих газах (в данном случае коэффициент избытка воздуха погазоходам котла не меняется, то есть />); /> – энтальпия теоретическинеобходимого количества воздуха при температуре холодного воздуха />. Температурауходящих газов для котлов подобного типа принимается равной 180 … 190 °С.
6.ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОТЛА
Однимиз основных параметров котельного агрегата является его номинальнаяпаропроизводительность />, т. е. наибольшаяпаропроизводительность, которую котел должен обеспечивать в течение длительнойэксплуатации при номинальных величинах параметров пара и питательной воды.
Однакопри изменении количества, состава и температуры отходящих из технологическойустановки газов, изменении параметров вырабатываемого пара, а также конструкцииповерхностей нагрева действительная паропроизводительность может отличаться отноминальной, вследствие чего она подлежит определению в поверочном тепловомрасчете.
Паропроизводительностькотла-утилизатора, в котором нет отбора к потребителям насыщенного пара и вкотором отсутствует вторичный пароперегреватель, определяется по формуле:
/>, (4.39)
где/> – расходсмеси ОГ с ПГ; /> – располагаемая теплота; h– коэффициент использования теплоты, %; />, />, /> – энтальпии соответственно перегретогопара, питательной воды и кипящей (продувочной) воды в барабане парового котла; /> – коэффициент,учитывающий расход кипящей воды на непрерывную продувку*котла. Величина этого коэффициента />, где /> – расход продувочной воды, исоставляет обычно 0,015 … 0,05. Температура питательной воды составляет 140 …150 °С.
7.ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
Впоследние годы в практике инженерных расчетов для оценки степенитермодинамического совершенства энерготехнологических систем, теплотехническихустановок и их элементов все шире используется эксергетический анализ. В егооснове лежит понятие эксергии, под которой понимают максимальную работутермодинамической системы при обратимом переходе ее в состояние равновесия с окружающейсредой. Эксергетический метод термодинамического анализа позволяет оценить:
качество(потенциал) энергии с точки зрения ее работоспособности, в частности,располагаемые резервы утилизации вторичных энергоресурсов (отходящих газовкакого-либо производства, горячей воды и пара, отработавших в технологических исиловых установках, и др.);
снижениекачества (“деградацию”) энергии из-за необратимого протекания реальныхпроцессов (горения, теплообмена, смешения, трения и т.д.)
Взависимости от вида термодинамической системы и энергии, которая преобразуетсяв работу, различают несколько видов эксергии. При анализе эффективностикотла-утилизатора целесообразно использовать понятия эксергии потока вещества ихимической эксергии.
7.1 Виды эксергии, используемыепри анализе эффективности котла-утилизатора
7.1.1Эксергия потока вещества
Эксергияпотока вещества характеризует максимальную располагаемую работу, совершаемуюпотоком в процессе обратимого перехода из состояния, характеризуемогопараметрами />,/>, всостояние с параметрами окружающей среды />, />. Величина удельной (для единицымассового расхода) эксергии потока вещества определяется по формуле
/>, (7.1)
где/>, /> – удельныезначения энтальпии и энтропии вещества в состоянии, характеризуемом параметрами/>, />; />, /> – значенияуказанных величин в состоянии равновесия с окружающей средой.
Уравнение(7.1) отражает единственно возможный путь обратимого перехода вещества изсостояния />,/> ксостоянию />,/>,обеспечивающий достижение />: сначала обратимый адиабатныйпроцесс до момента, когда температура становится равной />, а затем изотермическийпроцесс при />.Указанная последовательность процессов позволяет избежать потерь из-завнутренней и внешней необратимости, связанной с теплообменом при конечнойразности температур.
Вчастном случае, когда давление в потоке близко к давлению окружающей среды />, а веществоблизко по свойствам к идеальному газу, расчет разностей /> и /> можно выполнить наоснове средних удельных теплоемкостей, выраженных эмпирическими уравнениямитипа />.При этом расчетные формулы для однородного вещества имеют вид:
/>, (7.2)
/>, (7.3)
где/> –среднелогарифмическая температура в интервале от />до />:
/>. (7.4)
Ктакому именно случаю можно отнести движение воздуха и продуктов сгорания вгазоходах котельной установки.
Поскольку,как уже отмечалось ранее, расчеты котельной установки принято вести поотношению к единице количества топлива, отходящих газов или их смеси,соответственно будем иметь:
/>, (7.5)
/>, (7.6)
/>. (7.7)
Следуетуказать также на возможность приближенного вычисления эксергии потока веществадля указанного частного случая р1» р0поформуле
/>. (7.8)
Установлено,что погрешность при использовании этой формулы в диапазоне температур Т =273–2500 К составляет
7.1.2Химическая эксергия
Химическая(нулевая) эксергия /> – это та максимальная работа,которая может быть получена в результате преобразования какого-либо вещества,т. е. определенного соединения химических элементов, в другие соединения этихэлементов, наиболее распространенные в окружающей среде и находящиеся с ней вравновесии. Такое преобразование должно осуществляться в ходе обратимойхимической реакции при />, /> с участием дополнительных веществ(окислителя, катализатора).
Приближенноможно считать, что химическая эксэргия представляет собою теплоту реакции,взятую с обратным знаком. В частности, для топлива удельное значение ее можнобрать примерно равной высшей теплоте сгорания />.
Длягазообразного топлива, а также горючих отходящих газов:
/>, (7.9)
где/> – низшаятеплота сгорания.
7.2Эксергетический баланс котла-утилизатора
Содержаниеэксергетического анализа составляют расчеты составляющих эксергетическогобаланса и эксергетического КПД.
Вотличие от баланса энергии, баланс эксергии для любой установки может бытьсведен лишь условно, если включить в число его составляющих эксэргию, потеряннуюв процессах преобразования энергии. Баланс эксергии может быть записан в двухформах, одна из которых имеет вид
/>, (7.10)
где/>–суммарная эксергия, поступающая в установку с потоками вещества и энергии; /> – суммарнаяэксергия, уходящая из установки; />– сумма потерь эксергии вустановке.
Суммарная эксергия, поступающая в котел-утилизаторскладывается из следующих составляющих:
/> , (7.11)
где/>–химическая эксергия смеси отходящих газов с природным; />– физическая эксергия потокауказанных газов; /> – эксергия потока воздуха, поступающегов котел (на входе в воздухоподогреватель); /> – эксергия потока питательнойводы, поступающей в котел (на входе в экономайзер).
Величинахимической эксергии смеси отходящих газов с природным, поступающей за единицувремени в котел-утилизатор, приближенно вычисляется по формуле:
/>. (7.12)
Физическаяэксергия смеси отходящих газов с природным:
/>. (7.13)
Посколькуприродный газ поступает из окружающей среды, его физическая эксергия равнанулю. Тогда
/>, (7.14)
где
/>; /> – энтальпииотходящих газов, соответственно, при /> и />.
Эксергия воздуха навходе в котел
/>, (7.15)
где/>, />,/>– энтальпии воздуха при/> и/>.
Эксергияпитательной воды, поступающей в котел, находится в случае ее предварительногоподогрева как
/>, (7.16)
где/>, /> – энтальпия иэнтропия воды при /> и заданном давлении в котле(находятся по таблицам воды и водяного пара); />, /> – энтальпия и энтропия воды при />, />.
Сдостаточной степенью точности /> и /> для воды могут быть вычислены поформулам /> и/>, где /> – теплоемкостьводы: /> =4,19 кДж/(кг×К).
Суммарныйпоток эксергии, уходящий из установки, складывается следующим образом:
/>, (7.17)
где/> –эксергия потока перегретого пара; /> – эксергия продуктов сгорания,покидающих котел (на выходе из экономайзера); /> – эксергия продуктов неполногоокисления (химический недожог) смеси отходящих и природного газов в топкекотла; /> –эксергия несгоревшего (физический недожог) топлива (для газообразных горючих /> = 0); /> – эксергияпотока теплоты, теряемой через стенки котла в окружающую среду.
Эксергияпотока перегретого пара
/>, (7.18)
где/>, /> – энтальпия иэнтропия перегретого пара; />, /> – энтальпия и энтропия воды приусловиях окружающей среды.
Эксергияпотока уходящих из котла продуктов сгорания
/>, (7.19)
где
/>.
Эксергияпродуктов неполного окисления
/>. (7.20)
Эксергияпотока теплоты в окружающую среду
/>, (7.21)
где
/>.
Потериэксергии обусловлены необратимостью процессов горения />, теплообмена />, трения и др., причемнаибольший вклад вносят /> и />, поэтому можно принять:
/>. (7.22)
Потериэксергии из-за необратимости процесса горения
/>, (7.23)
или
/>, (7.24)
где /> – эксергия продуктов сгорания втопке при адиабатной температуре горения:
/>. (7.25)
Здесь
/>.
Потери эксергии из-за конечнойразности температур при теплообмене
между продуктами сгорания, с одной стороны, и водой, паром, воздухом, с другой
/>. (7.26)
7.3ЭксергетическийКПДкотла-утилизатора
ЭксергетическийКПД /> характеризуетдолю полезно использованной эксергии
/>, (7.27)
где/>, /> –соответственно затраченная и использованная эксергии;
/> – транзитнаяэксергия, то есть эксергия, которая проходит от входа в установку до выхода изнее, не участвуя в процессах преобразования энергии. Для котла-утилизатора вданном случае к транзитной эксергии относятся эксергии потоков питательной воды/> и воздуха/>, а такжефизическая эксергия потока отходящих газов сажевого производства.
Вслучае, когда отсутствует “вторичная” утилизация, т. е. не используютсяпотенциалы работоспособности продуктов сгорания, уходящих из котла, />, теплотынаружного охлаждения /> и теплоты сгорания продуктовнеполного окисления />, последние могут рассматриватьсякак потери эксергии. Тогда формула (7.27) преобразуется к виду
/>. (7.28)
8.РАСЧЕТ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ
Продуктысгорания удаляются из котла в атмосферу через дымовую трубу. Необходимая высотадымовой трубы при естественной тяге должна обеспечивать решение двух задач –достижение определенной скорости движения продуктов сгорания по газоходамкотла, от которой зависит эффективность теплообмена в элементах котла, и выноспродуктов сгорания в более высокие слои атмосферы.
Всовременных промышленных котельных установках с помощью трубы решается, какправило лишь вторая задача, поскольку для получения требуемых скоростей потоковв газовых и воздушных трактах могут использоваться дутьевые вентиляторы идымососы. Выбор последних осуществляется на основе результатоваэродинамического расчета котельной установки, который в данной работе нерассматривается.
Приэвакуации продуктов сгорания из высотных дымовых труб их концентрация можетбыть снижена до нормативных значений за счет турбулентного перемешивания сбольшими объемами окружающего воздуха.
Особуюопасность представляют вредные (токсичные) примеси. Для газообразного топливапри полном сгорании основными токсичными составляющими являются оксиды серы SО2,SО3 и оксиды азота NО,NО2. Около 99% оксидовсеры составляет SО2 ив расчетах выбросов условно принимается, что вся сера переходит в SО2.
Оксидыазота образуются в зоне высоких температур (в ядре факела пламени) в предтопкев результате окисления азота, входящего в состав как смеси горючих газов, так иподаваемого воздуха. На выходе из дымовой трубы NОсоставляет до 95% от суммы NО+ NО2. Однако в процессераспространения дымового факела в атмосфере происходит доокисление NО в NО2кислородом воздуха. Поэтому массовый выброс оксидов азота из котловрассчитывается по NО2.
Высотадымовой трубы должна обеспечивать такое рассеивание токсичных веществ ватмосфере, при котором их концентрация у поверхности земли будет меньшепредельной допускаемой санитарными нормами. Разовая предельно допускаемаяконцентрация (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест не должна превышать поSО2 – 0,5 мг/м3,по NО2 – 0,085 мг/м3.
Минимальнодопустимая высота трубы, при которой выполняется указанное выше требование,рассчитывается по формуле (без учета фоновой загазованности от другихисточников):
Нmin³ />,(8.1)
где/> –коэффициент, учитывающий характер атмосферных течений ( для Нижнего Поволжьяпринимают /> =200); /> –безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения загрязняющих веществ ватмосфере (для газообразных веществ />=1); />, /> – безразмерные коэффициенты,учитывающие условия выхода дымовых газов из устья трубы; />, /> – массовые выбросывредных веществ, г/с; /> – максимальная разовая предельнодопускаемая концентрация диоксида серы, мг/м3; /> – объем всех выбрасываемыхпродуктов сгорания, м3/с: />; />– разность между температуройвыбрасываемых из трубы продуктов сгорания и температурой атмосферного воздуха.
Массовыйвыброс окислов азота в г/с (в пересчете на NО2)рассчитывается по приближенной формуле
/> , (7.2)
где/> – низшаятеплота сгорания смеси горючих газов, КДж/м3; /> – суммарный расходуказанной смеси, м3/с; b – поправочныйкоэффициент, учитывающий вид топлива и особенности сжигания (в данном случаепринимается b=1); /> – выход NО2на 1МДж теплоты, выделяющейся при сгорании, г/МДж. Значения /> при сжиганиигазообразного топлива определяются по формулам:
длякотлов паропроизводительностью /> = 20 … 265 кг/с
/> , (7.3)
длякотлов паропроизводительностью /> = 8 … 20 кг/с
/>, (7.4)
Присжигании газового топлива SО2 образуется в ходе реакции окисления Н2S.В данном случае последний компонент присутствует только в составе отходящихгазов, поэтому объем /> в расчете на 1м3 смесиотходящих газов с природным составляет
/>, (7.5)
Объемныйвыброс диоксида серы в единицу времени />, м3/с:
/>. (7.6)
Массовыйвыброс диоксида серы />, г/с:
/>, (7.7)
где/> –атмосферное давление; /> –универсальная газовая постоянная;
/> –молекулярная масса SO2.
8.1Расчет экономии топлива
Какуже отмечалось ранее, использование вторичных энергоресурсов, имеющихсяпрактически во всех отраслях промышленности, где применяются теплотехнологическиепроцессы, позволяет обеспечить значительную экономию топлива и энергии.
Экономиятоплива за счет использования отходящих газов сажевого производства вкотле-утилизаторе для выработки пара определяется по формуле
/>, (8.1)
где /> – расход природного газа в смесис отходящими газами; /> – количество природного газа,которое потребовалось бы без использования отходящих газов для выработки такогоже количества пара тех же параметров, что и в котле-утилизаторе.
Величина/> приближенновычисляется по формуле
/>, (8.2)
Где
/>.
Теплота,вносимая подогретым воздухом в топку (в расчете на 1м3 природногогаза),
/>, (8.3)
где /> – объем воздуха необходимый для сжигания 1м3природного газа при a=1.
Напрактике часто экономию топлива выражают в тоннах так называемого условноготоплива, теплота сгорания которого составляет 29300 кДж/кг:
/>. (8.4)
ВОПРОСЫ ДЛЯСАМОКОНТРОЛЯ
1.Назначение котла-утилизатора.
2.Устройство котла-утилизатора типа ПКК, назначение его отдельных элементов.
3.Методика расчета процесса сгорания в котле-утилизаторе.
4.Как рассчитываются энтальпии воздуха и продуктов сгорания?
5.Тепловой баланс котла-утилизатора.
6.Коэффициент использования теплоты и его вычисление.
7. Что включаетв себя располагаемая теплота?.
8.Методика расчета действительной паропроизводительности котла.
9.Адиабатная температура горения и ее вычисление.
10.Понятие эксергии.
11.Каковы цели эксергетического анализа котла-утилизатора?
12.Виды эксергии и расчетные формулы.
13.Эксергетический баланс котла-утилизатора.
14.Эксергетический КПД.
15.Формула для приближенного вычисления эксергии потока продуктов сгорания.
16.Формулы для вычисления эксергий потоков перегретого пара и питательной воды.
17.Виды потерь эксергии в котле.
18.Методика расчета дымовой трубы.
19.Методика расчета экономии топлива.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Таблица П 1
Интерполяционныеформулы для средних объемных теплоемкостей в изобарном процессе при атмосферномдавлении 0,1013 МПа (линейная зависимость)ГАЗ
/> = аi + bi t, кДж / (м3×К) ВОЗДУХ
/> = 1,287 + 1,201×10 -4t
H2
/> = 1,28 + 5,23×10-5t
N2
/> = 1,306 + 1,107×10-4t
О2
/> = 1,313 + 1,577×10-4t СО
/> = 1,291 + 1,21×10-4t
СО2
/> = 1,7132 + 4,723×10-4t
Н2О
/> = 1,473 + 2,498×10 –4t
СН4
/> = 1,5491 + 1,181×10-3t
Н2S
/> = 1,5072 + 3,266×10-4t
Здесьt в °С.ТаблицаП 2
Термодинамическиесвойства воды и водяного пара в состоянии насыщенияр, МПа 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
tН, °С 99,63 151,85 179,88 198,28 212,37 223,94 233,84 242,54 250,33 257,41 h¢, кДж/кг 417,5 640,1 762,6 844,7 908,6 962,0 1008,4 1049,8 1087,5 1122,2 h¢¢, кДж/кг 2,6757 2748,5 2777,0 2790,4 2797,4 2800,8 2801,9 2801,3 2799,4 2796,5
Таблица П3
Термодинамическиесвойства воды и перегретого параt, °C р = 2,0 МПа р = 2,5 МПа р = 4,5 МПа
n, м3/кг h, кДж/кг s, кДж/(кг×К)
n, м3/кг h, кДж/кг s, кДж/(кг×К)
n, м3/кг h, кДж/кг s, кДж/(кг×К) 0,00010 2,0 0,0000 0,00010 2,5 0,0000 0,00010 4,5 0,0002 50 0,00101 211,0 0,7026 0,00101 211,4 0,7023 0,00101 213,1 0,7014 100 0,00104 420,5 1,3054 0,00104 420,9 1,3050 0,00104 422,4 1,3034 150 0,00109 633,1 1,8399 0,00109 633,4 1,8394 0,00109 634,6 1,8372 200 0,00115 852,6 2,3300 0,00115 852,8 2,3292 0,00115 853,6 2,3260 250 0,1115 2902,5 6,5460 0,08701 2879,9 6,4087 0,00125 1085,8 2,7923 300 0,1255 3024,0 6,7679 0,09892 3009,4 6,6454 0,05136 2943,9 6,2848 350 0,1386 3137,2 6,9574 0,1098 3126,6 6,8415 0,05840 3081,3 6,5149 400 0,1512 3248,1 7,1285 0,1201 3239,9 7,0165 0,06473 3205,8 6,7071 450 0,1635 3357,7 7,2855 0,1301 3351,0 7,1758 0,07070 3323,8 6,8763
Примечание. Числовые значения вышеразграничительной линии относятся к воде, ниже – к перегретому пару.