ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание

1. Выполнить термохимический расчет процесса горения смеси отходящих газов сажевого производства с природным газом в котле-утилизаторе, включая определение теоретической температуры горения.

2. Вычислить составляющие теплового баланса котла-утилизатора и его тепловой коэффициент полезного действия (коэффициент использования теплоты). Построить диаграмму потоков энергии в котле-утилизаторе (диаграмму Сенкея).

3. Оценить фактическую паропроизводительность котла.

4. Выполнить эксергетический анализ эффективности котла-утилизатора и построить диаграмму потоков эксергии в котле-утилизаторе (диаграмму Грассмана-Шаргута).

5. Найти исходя из условия рассеивания в атмосфере вредных компонентов продуктов сгорания требуемую высоту дымовой трубы.

6. Оценить экономию топлива за счет утилизации энергии отходящих газов сажевого производства.

Указания к выполнению работы

1. Исходные данные для расчета берутся из приведенных ниже таблиц (табл. 1, 2, 3) в соответствии с заданным преподавателем номером варианта.

2. Выполненную работу (расчеты и необходимые пояснения) оформить в виде пояснительной записки. Записка должна содержать: введение (назначение котла-утилизатора, его краткое описание, цель расчетов); исходные данные; расчетные формулы и результаты расчетов; построенные в масштабе диаграммы Сенкея и Грассмана-Шаргута; выводы об термодинамической эффективности котла утилизатора и возможных путях ее повышения.

Таблица 1

	Типоразмер котла ПКК	Параметры котла			Данные к расчету котла
		D, т/ч	р, Мпа	t пп, °С	Вог м3/с	x	qХ, %	qНО, %	a
0	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	t П.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 вырабатываемого пара, относящиеся к номинальному режиму работы котла; Bог – расход сухих отходящих газов сажевого производства; х – объемная доля природного газообразного топлива в смеси с отходящими газами; qХ, q Н.О – доли располагаемой теплоты, теряемые соответственно от химической неполноты сгорания и наружного охлаждения; a – коэффициент избытка воздуха в топке.

Таблица 2

Характеристики отходящих газов сажевого производства

	Объемный состав сухой массы отходящих газов, %							WР, %	tог, °С
	CO2	CO	H2	H2S	CH4	O2	N2
0	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.

Таблица 3

Теплота сгорания, расход воздуха на горение и объемы продуктов сгорания природных газообразных топлив

	Газопровод	кДж/м3	, м3/м3	м3/м3	м3/м3	, м3/м3
0	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 сухих трехатомных газов в продуктах сгорания ПГ; , – теоретические объемы азота и водяного пара в продуктах сгорания ПГ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Ознакомиться с устройством котлов-утилизаторов

1.2 Получить практические навыки проведения термодинамического анализа эффективности агрегатов энерготехнологических систем и протекающих в них процессов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Проведение термодинамического анализа эффективности котла-утилизатора энергетическим и эксергетическим методами.

2.2 Оценка экономии топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов сажевого производства.

2.3 Расчет дымовой трубы котла-утилизатора из условия рассеивания в атмосфере вредных компонентов продуктов сгорания.

3. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Проблема экономного расходования топливно-энергетических ресурсов является чрезвычайно важной в современной хозяйственной деятельности.

Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов и снижение вредного воздействия производства на окружающую среду могут быть достигнуты при более широком вовлечении в топливно-энергетический баланс вторичных энергоресурсов (ВЭР), под которыми подразумевают энергетический потенциал продукции, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках, процессах). Вторичные энергоресурсы имеются практически во всех отраслях промышленности, где применяются энерготехнологические процессы, в первую очередь высокотемпературные. Коэффициент полезного теплоиспользования для многих энерготехнологических процессов не превышает 15–35%.

Вторичные энергоресурсы могут быть разделены на две основные группы:

горючие (топливные) ВЭР – горючие газы плавильных печей (доменный, колошниковый шахтных печей и вагранок, конвертерный и т. д.), горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья и др.;

тепловые ВЭР – физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов, теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов, теплота горячей воды и пара, отработавших в технологических и силовых установках и др.

Утилизацию горючих и тепловых ВЭР осуществляют в котлах-утилизаторах (КУ), которые обеспечивают получение за счет использования энергии этих ВЭР дополнительной продукции в виде энергетического или технологического пара, горячей воды, какого-либо другого теплоносителя, что приводит к экономии топлива на предприятии. Котлы–утилизаторы устанавливают за печами и реакторами в химической промышленности, за мартеновскими и нагревательными печами в черной металлургии и т. п. Если используется лишь физическая теплота отходящих газов этих производств, то КУ топочного устройства не имеют и, по существу, представляют собой теплообменники. Если же отходящие газы содержат в своем составе горючие компоненты то, для их сжигания котлы-утилизаторы снабжаются топочным устройством. В случае использования отходящих газов с незначительным содержанием горючих компонентов и малой теплотой сгорания, например, газов сажевого производства, их сжигают в смеси с природным газом или мазутом.

3.1 Котлы-утилизаторы в сажевом производстве

Сажевые заводы относятся к числу предприятий, в которых образуется большое количество отходящих газов, содержащих примерно 20 % горючих компонентов (СО, Н2 и др.) и 80% балласта (СО2, N2 и др.), в том числе около 40% водяных паров. Вследствие сильной забалластированности и малой теплоты сгорания для эффективного их сжигания в котлах-утилизаторах к ним добавляют в небольшом количестве природный газ или мазут, имеющие высокую теплоту сгорания.

Специально для сжигания отходящих газов сажевого производства разработана серия унифицированных котлов типа ПКК (пакетно-конвективный котел). Его продольный разрез показан на рис.1 Котлы типа ПКК однобарабанные, конвективные, с естественной циркуляцией.

Отходящие газы сажевого производства вместе с природным газом или мазутом поступают через горелку 1 в неэкранированный предтопок 2, где и сжигаются. Из предтопка продукты сгорания проходят конвективные испарительные секции 3, пароперегреватель 4, воздухоподогреватель 7, и экономайзер 8. Все элементы котла состоят из системы труб, нагреваемых омывающими их продуктами сгорания. Однако использование теплоты продуктов сгорания в них различно: в трубах испарительных секций происходит кипение воды и образование пара, который поступает затем в барабан 5; в пароперегревателе пар, поступающий из барабана, перегревается до температуры выше температуры насыщения; в воздухоподогревателе подогревается воздух перед подачей в предтопок; в экономайзере подогревается питательная вода, поступающая в котел.

4. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

4.1 Состав продуктов сгорания

Для оценки термодинамической эффективности использования ВЭР в котле утилизаторе необходимо знать температуру и энтальпию продуктов сгорания смеси отходящих газов с природным. Указанные параметры определяются на основе термохимического расчета процесса горения. Этот расчет включает определение теоретически необходимого для полного сжигания горючей газовой смеси объема воздуха, действительного объема воздуха, подаваемого в топку котла, объемов продуктов сгорания (ПС), теплоты сгорания газовой смеси, теоретической температуры продуктов сгорания. При этом для газообразных топлив указанные объемы принято находить в расчете на 1 м3 объема сухой части сжигаемого газа.

При горении горючие элементы топлива (CO, H2, H2S, CH4 и другие) взаимодействуют с окислителем – кислородом воздуха, и образуют окислы CO2, SO2, H2O и др. Кроме того, в продукты сгорания входят негорючие газообразные компоненты топлива и азот, содержащийся в воздухе.

Если при полном сгорании 1 м3 горючих газов объем поданного в топку воздуха таков, что прореагирует весь входящий в него кислород, то такой объем (, м3/м3) называется теоретически необходимым. Полученный в этом случае объем продуктов сгорания (, м3/м3) называется также теоретическим. Отметим, что здесь и в дальнейшем объемы воздуха и других газов берутся при нормальных физических условиях (p=101,3 кПа и T=273 К), а размерность м3/м3 означает объем воздуха или компонента продуктов сгорания, приходящийся на 1 м3 объема сухой части сжигаемой газовой смеси.

Теоретический объем продуктов сгорания состоит из объёмов следующих компонентов:

, (4.1)

где

объем сухих трехатомных газов (, так как содержание серы в топливе мало); ,   теоретические объемы азота и водяного пара.

В действительности, из-за несовершенства смесеобразования подача в топку теоретического количества воздуха не обеспечивает полного сгорания топлива. По этой причине обычно в топку подают воздуха больше теоретически необходимого:

, (4.2)

где – действительно поданный в топку объем воздуха, – коэффициент избытка воздуха.

Очень часто для удаления продуктов сгорания из котельного агрегата их отсасывают дымососом, в результате чего в газоходах котла создается разряжение. Вследствие этого через неплотности в обмуровке котла в газоходы может подсасываться атмосферный воздух и величина a будет несколько возрастать по длине газового тракта. При работе котла с воздуходувкой давление в газоходах выше атмосферного, поэтому подсосов воздуха нет и значение a сохраняется неизменным.

При a>1 в продуктах сгорания появляется избыточный воздух :

. (4.3)

Следствием избытка воздуха, поступающего в топку, является увеличение в продуктах сгорания объема водяных паров на величину соответствующую содержанию водяного пара в избыточном воздухе. С учетом действительный объем водяных паров в продуктах сгорания

, (4.4)

где – теоретический объем водяных паров в продуктах сгорания при a=1.

4.2 Определение расходов горючих газов и воздуха

4.2.1 Расход горючих газов

В предтопке котла-утилизатора типа ПКК сжигается смесь отходящих газов с природным газом (ОГ с ПГ). Объемная доля природного газа в этой смеси составляет:

, (4.5)

где , – расходы соответственно отходящих и природного газов; здесь и далее индексы “ог”, ”пг” означают соответственно отходящие газы и природный газ. Значение выбирают, исходя из параметров и теплоты сгорания отходящих газов. В настоящей курсовой работе это значение указано в исходных данных. Величина при расчетах также известна, так как она определяется производительностью сажевого производства. Таким образом, исходя из формулы (4.5) можно найти потребный расход природного газа:

. (4.6)

Суммарный расход горючих газов составляет:

. (4.7)

4.2.2 Расход воздуха на горение

Теоретически необходимый 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 газов сажевого производства и природного газа.

В свою очередь

, (4.9)

где СО, Н2, Н2S и другие – объемные доли соответствующих компонентов в отходящих газах, %.

Величина также может быть рассчитана по формуле (4.9) или взята из справочника (табл.3).

Действительный объем воздуха в м3/м3 для сгорания 1 м3 смеси ОГ с ПГ вычисляется по формуле (4.2).

4.3 Объем продуктов сгорания

Объем продуктов сгорания 1 м3 смеси ОГ с ПГ при a>1 находится как сумма объемов их компонентов:

. (4.10)

Объем сухих трехатомных газов определяется суммированием объема таких газов, содержащихся в ОГ и получающихся при их сжигании, с одной стороны, и объема трехатомных газов, образующихся при сгорании природного газа:

, (4.11)

где СО2, CO, Н2S, CmHn – объемные доли соответствующих компонентов в отходящих газах, %, – объем сухих трехатомных газов в продуктах сгорания природного газа (см.табл.3).

Теоретический объем азота вычисляется следующим образом:

, (4.12)

где N2(пг) – процентное содержание азота в отходящих газах, – объем азота при в продуктах сгорания природного газа (см.табл.3).

Объем водяного пара, вносимого в топку отходящими газами и получающегося при их сгорании, может быть вычислен следующим образом:

, (4.13)

где – влагосодержание отходящих газов, г/м3. Значение находится по формуле

, (4.14)

где WР – содержание влаги в отходящих газах, %; – плотность водяного пара, кг/м3 (при нормальных условиях = 0,804 кг/м3).

Суммарный объем водяного пара в продуктах сгорания составляет

. (4.15)

Второе слагаемое в правой части равенства (4.15) учитывает образование водяного пара при горении добавки природного газа (см.табл.3), а третье – влагосодержание воздуха, подаваемого в топку (принимается, что влагосодержание воздуха равно 10 г/м3).

Объем избыточного воздуха может быть найден по формуле (4.3) или

. (4.16)

4.4 Теплота сгорания смеси газообразных топлив

Низшая теплота сгорания , кДж/м3, сухой смеси ОГ с ПГ рассчитывается по уравнению:

, (4.17)

где CO, H2, H2S, … – объемное содержание соответствующих горючих компонентов в отходящих газах, %; 12636, 10798, 23400 и т. д. – низшие теплоты сгорания горючих компонентов отходящих газов, кДж/м3; – низшая теплота сгорания сухого природного газа, кДж/м3.

4.5 Энтальпии воздуха, отходящих газов и продуктов сгорания

Котел-утилизатор с термодинамической точки зрения представляет собой открытую термодинамическую систему. Поэтому вычисление составляющих энергетического и эксергетического балансов удобно выполнять, используя величину энтальпии продуктов сгорания. Кроме того, требуется знать энтальпии воздуха при различных его температурах.

4.5.1 Энтальпия продуктов сгорания

Энтальпия продуктов сгорания определяется в расчете на 1м3 сухих горючих газов, поступающих в топку (предтопок) котла-утилизатора. Так как компоненты продуктов сгорания можно считать идеальными газами, то

(4.18)

где t – температура газовой смеси; – энтальпия i-го компонента; – средняя в диапазоне температур 0 – t °С объемная теплоемкость i-го компонента в изобарном процессе; – парциальный объем i-го компонента; N – число компонентов.

Значения при нелинейной зависимости от температуры могут быть найдены из таблиц термодинамических свойств газов. В инженерных расчетах широко пользуются приближенной линейной зависимостью

, (4.19)

обеспечивающей допустимую погрешность в диапазоне t = 0 – 2000 °С. Здесь и – постоянные интерполяционной формулы теплоемкости.

При этом формула энтальпии смеси (4.18) принимает вид:

. (4.20)

Используя линейные зависимости вида (4.19) для отдельных компонентов продуктов сгорания, приведенные в табл. 4, можно на основе выражения (4.20) получить зависимость энтальпии продуктов сгорания от температуры

, (4.21)

где

, .

Формула (4.21) дает возможность вычислять значение энтальпии продуктов сгорания при любой заданной температуре.

4.5.2 Энтальпия воздуха

Если принять зависимость теплоемкости воздуха от температуры линейной, то согласно табл.П.2. средняя в диапазоне температур 0 – t °С объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении определится так:

, (4.22)

Тогда энтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сжигания 1 м3 смеси ОГ с ПГ составит:

, (4.23)

где t – температура воздуха, °С.

Энтальпия действительного количества воздуха при сгорании 1 м3 смеси ОГ с ПГ, кДж/м3, определится по формуле

. (4.24)

4.5.3 Энтальпия отходящих газов

Энтальпия отходящих газов определяется по формуле:

, (4.25)

где t – температура ОГ, °С; и –коэффициенты формул для средней объемной изобарной теплоемкости i-го компонента сухой части ОГ; – объемная доля i-го компонента в сухой части ОГ (в %); – число компонентов в сухой части ОГ; – объемная доля влаги в ОГ; - коэффициенты формулы средней объемной изобарной теплоемкости для водяного пара. Формула (4.25) учитывает то, что для расчета тепловых балансов в котле–утилизаторе энтальпия отходящих газов должна быть отнесена к 1 м3 сухой части этих газов.

4.6 Определение теоретической температуры продуктов сгорания

В топках паровых котлов, работающих на природном газе, мазуте, угольной пыли, стенки топки покрыты экранными трубами, которые защищают конструкцию от воздействия высоких температур. В котлах-утилизаторах, в которых сжигается низкокалорийное топливо, температуры пламени относительно низкие и потери теплоты в стенки топки нежелательны. По этой причине, в частности, в топочной камере котлов-утилизаторов типа ПКК экранные трубы отсутствуют. Если не учитывать потери теплоты в стенки топочной камеры и принимать, что все полезное тепловыделение в топке затрачивается только на их нагрев, то температуру продуктов сгорания на выходе из топки можно приближенно считать равной так называемой адиабатной температуре горения . Последняя находится на основе уравнения 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 равняется энтальпии отходящих газов :

(4.28)

Вследствие малых значений и невысокой температуры природного газа, поступающего в котел-утилизатор, вторым слагаемым в правой части уравнения (4.27) можно пренебречь. Тогда с учетом (4.28)

. (4.29)

Теплота , вносимая в топку с воздухом, равна его энтальпии на выходе из воздухоподогревателя и может быть вычислена по формуле (4.24) при условии, что на входе в воздухоподогреватель 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

5.1 Составляющие теплового баланса

Тепловой баланс котла вытекает из закона сохранения энергии и устанавливает равенство между количеством подведенной и расходуемой теплоты. В общем виде он записывается так:

=. (4.31)

Суммарное количество теплоты, внесенной в котел, называется располагаемой теплотой , которая является приходной частью теплового баланса:

=. (4.32)

Располагаемая теплота включает в 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 посторонним источником энергии (не в воздухоподогревателе котла).

Если принять энтальпию воздуха в окружающей среде за начало отсчета, то теплоту внешнего подогрева воздуха можно определить по формуле:

, (4.34)

где и – соответственно энтальпии воздуха на входе в воздухоподогреватель котла после его предварительного подогрева (например, в паровом калорифере) до температуры и холодного воздуха с температурой . Как было сказано выше в разделе 4.6, температуру принимают равной 60…80 °С. Температура холодного воздуха принимается обычно равной 30 °С.

Если записать составляющие расходной части равенства (4.31) применительно к рассматриваемому котлу-утилизатору, то в развернутом виде уравнение теплового баланса котла будет иметь вид:

, (4.35)

где – полезно использованная теплота (израсходованная на выработку технологической или энергетической продукции, например, на нагрев воды или получение пара заданных параметров); , , – потери теплоты соответственно с уходящими газами (продуктами сгорания), химической неполнотой сгорания смеси ОГ с ПГ и от наружного охлаждения (в окружающую среду через ограждения котла).

Уравнение теплового баланса можно записать в виде, где все составляющие выражены в процентах по отношению к располагаемой теплоте, принимаемой за 100 % ( = 100%):

, (4.36)

где и т. д.

5.2 Коэффициент использования теплоты

Энергетическая эффективность котла-утилизатора характеризуется коэффициентом использования теплоты, или коэффициентом полезного действия h, %:

. (4.37)

Среднестатистические данные по тепловым потерям и приводятся в таблице исходных данных к настоящей работе. Потеря теплоты с уходящими из котла газами (продуктами сгорания) , %, определяется по формуле

, (4.38)

где – энтальпия продуктов сгорания при температуре уходящих газов ; – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах (в данном случае коэффициент избытка воздуха по газоходам котла не меняется, то есть ); – энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре холодного воздуха . Температура уходящих газов для котлов подобного типа принимается равной 180 … 190 °С.

6. ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОТЛА

Одним из основных параметров котельного агрегата является его номинальная паропроизводительность , т. е. наибольшая паропроизводительность, которую котел должен обеспечивать в течение длительной эксплуатации при номинальных величинах параметров пара и питательной воды.

Однако при изменении количества, состава и температуры отходящих из технологической установки газов, изменении параметров вырабатываемого пара, а также конструкции поверхностей нагрева действительная паропроизводительность может отличаться от номинальной, вследствие чего она подлежит определению в поверочном тепловом расчете.

Паропроизводительность котла-утилизатора, в котором нет отбора к потребителям насыщенного пара и в котором отсутствует вторичный пароперегреватель, определяется по формуле:

, (4.39)

где – расход смеси ОГ с ПГ; – располагаемая теплота; h – коэффициент использования теплоты, %; , , – энтальпии соответственно перегретого пара, 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, и составляет обычно 0,015 … 0,05. Температура питательной воды составляет 140 … 150 °С.

7. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

В последние годы в практике инженерных расчетов для оценки степени термодинамического совершенства энерготехнологических систем, теплотехнических установок и их элементов все шире используется эксергетический анализ. В его основе лежит понятие эксергии, под которой понимают максимальную работу термодинамической системы при обратимом переходе ее в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергетический метод термодинамического анализа позволяет оценить:

качество (потенциал) энергии с точки зрения ее работоспособности, в частности, располагаемые резервы утилизации вторичных энергоресурсов (отходящих газов какого-либо производства, горячей воды и пара, отработавших в технологических и силовых установках, и др.);

снижение качества (“деградацию”) энергии из-за необратимого протекания реальных процессов (горения, теплообмена, смешения, трения и т.д.)

В зависимости от вида термодинамической системы и энергии, которая преобразуется в работу, различают несколько видов эксергии. При анализе эффективности котла-утилизатора целесообразно использовать понятия эксергии потока вещества и химической эксергии.

7.1 Виды эксергии, используемые при анализе эффективности котла-утилизатора

7.1.1 Эксергия потока вещества

Эксергия потока вещества характеризует максимальную располагаемую работу, совершаемую потоком в процессе обратимого перехода из состояния, характеризуемого параметрами , , в состояние с параметрами окружающей среды , . Величина удельной (для единицы массового расхода) эксергии потока вещества определяется по формуле

, (7.1)

где , – удельные значения энтальпии и энтропии вещества в состоянии, характеризуемом параметрами , ; , – значения указанных величин в состоянии равновесия с окружающей средой.

Уравнение (7.1) отражает единственно возможный путь обратимого перехода вещества из состояния , к состоянию , , обеспечивающий достижение : сначала обратимый адиабатный процесс до момента, когда температура становится равной , а затем изотермический процесс при . Указанная последовательность процессов позволяет избежать потерь из-за внутренней и внешней необратимости, связанной с теплообменом при конечной разности температур.

В частном случае, когда давление в потоке близко к давлению окружающей среды , а вещество близко по свойствам к идеальному газу, расчет разностей и можно выполнить на основе средних удельных теплоемкостей, выраженных эмпирическими уравнениями типа . При этом расчетные формулы для однородного вещества имеют вид:

, (7.2)

, (7.3)

где – среднелогарифмическая температура в интервале от до :

. (7.4)

К такому именно случаю можно отнести движение воздуха и продуктов сгорания в газоходах котельной установки.

Поскольку, как уже отмечалось ранее, расчеты котельной установки принято вести по отношению к единице количества топлива, отходящих газов или их смеси, соответственно будем иметь:

, (7.5)

, (7.6)

. (7.7)

Следует указать также на возможность приближенного вычисления эксергии потока вещества для указанного частного случая р1» р0 по формуле

. (7.8)

Установлено, что погрешность при использовании этой формулы в диапазоне температур Т = 273–2500 К составляет <3%, что допустимо для таких расчетов.

7.1.2 Химическая 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 этих элементов, наиболее распространенные в окружающей среде и находящиеся с ней в равновесии. Такое преобразование должно осуществляться в ходе обратимой химической реакции при , с участием дополнительных веществ (окислителя, катализатора).

Приближенно можно считать, что химическая эксэргия представляет собою теплоту реакции, взятую с обратным знаком. В частности, для топлива удельное значение ее можно брать примерно равной высшей теплоте сгорания .

Для газообразного топлива, а также горючих отходящих газов:

, (7.9)

где – низшая теплота сгорания.

7.2 Эксергетический баланс котла-утилизатора

Содержание эксергетического анализа составляют расчеты составляющих эксергетического баланса и эксергетического КПД.

В отличие от баланса энергии, баланс эксергии для любой установки может быть сведен лишь условно, если включить в число его составляющих эксэргию, потерянную в процессах преобразования энергии. Баланс эксергии может быть записан в двух формах, одна из которых имеет вид

, (7.10)

где – суммарная эксергия, поступающая в установку с потоками вещества и энергии; – суммарная эксергия, уходящая из установки; – сумма потерь эксергии в установке.

Суммарная эксергия, поступающая в котел-утилизатор складывается из следующих составляющих:

, (7.11)

где – химическая эксергия смеси отходящих газов с природным; – физическая эксергия потока указанных газов; – эксергия потока воздуха, поступающего в котел (на входе в воздухоподогреватель); – эксергия потока питательной воды, поступающей в котел (на входе в экономайзер).

Величина химической эксергии смеси отходящих газов с природным, поступающей за единицу времени в котел-утилизатор, приближенно вычисляется по формуле:

. (7.12)

Физическая эксергия смеси отходящих газов с природным:

. (7.13)

Поскольку природный газ поступает из окружающей среды, его физическая эксергия равна нулю. Тогда

, (7.14)

где

; – энтальпии отходящих газов, соответственно, при и .

Эксергия воздуха на входе в котел

, (7.15)

где , , – энтальпии воздуха при и .

Эксергия питательной воды, поступающей в котел, находится в случае ее предварительного подогрева как

, (7.16)

где , – энтальпия и энтропия воды при и заданном давлении в котле (находятся по таблицам воды и водяного пара); , – энтальпия и энтропия воды при , .

С достаточной степенью точности и для воды могут быть вычислены по формулам и , где – теплоемкость воды: = 4,19 кДж/(кгЧК).

Суммарный поток 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 неполного окисления (химический недожог) смеси отходящих и природного газов в топке котла; – эксергия несгоревшего (физический недожог) топлива (для газообразных горючих = 0); – эксергия потока теплоты, теряемой через стенки котла в окружающую среду.

Эксергия потока перегретого пара

, (7.18)

где , – энтальпия и энтропия перегретого пара; , – энтальпия и энтропия воды при условиях окружающей среды.

Эксергия потока уходящих из котла продуктов сгорания

, (7.19)

где

.

Эксергия продуктов неполного окисления

. (7.20)

Эксергия потока теплоты в окружающую среду

, (7.21)

где

.

Потери эксергии обусловлены необратимостью процессов горения , теплообмена , трения и др., причем наибольший вклад вносят и , поэтому можно принять:

. (7.22)

Потери эксергии из-за необратимости процесса горения

, (7.23)

или

, (7.24)

где – эксергия продуктов сгорания в топке при адиабатной температуре горения:

. (7.25)

Здесь

.

Потери эксергии из-за конечной разности температур при теплообмене
между продуктами сгорания, с одной стороны, и водой, паром, воздухом, с другой

. (7.26)

7.3 Эксергетический КПД котла-утилизатора

Эксергетический КПД характеризует долю полезно использованной эксергии

, (7.27)

где , – соответственно затраченная и использованная эксергии;

– транзитная эксергия, то есть эксергия, которая проходит от входа в установку до выхода из нее, не участвуя в процессах преобразования энергии. Для котла-утилизатора в данном случае к транзитной эксергии относятся эксергии потоков питательной воды и воздуха , а также физическая эксергия потока отходящих газов сажевого производства.

В случае, когда отсутствует “вторичная” утилизация, т. е. не используются потенциалы работоспособности продуктов сгорания, уходящих из котла, , теплоты наружного охлаждения и теплоты сгорания продуктов неполного окисления , последние могут рассматриваться как потери эксергии. Тогда формула (7.27) преобразуется к виду

. (7.28)

8. РАСЧЕТ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

Продукты сгорания удаляются из котла в атмосферу через дымовую трубу. Необходимая высота дымовой трубы при естественной тяге должна обеспечивать решение двух задач – достижение определенной скорости движения продуктов сгорания по газоходам котла, от которой зависит эффективность теплообмена в элементах котла, и вынос продуктов сгорания в более высокие слои атмосферы.

В современных промышленных котельных установках с помощью трубы решается, как правило лишь вторая задача, поскольку для получения требуемых скоростей потоков в газовых и воздушных трактах могут использоваться дутьевые вентиляторы и дымососы. Выбор последних осуществляется на основе результатов аэродинамического расчета котельной установки, который в данной работе не рассматривается.

При эвакуации продуктов сгорания из высотных дымовых труб их концентрация может быть снижена до нормативных значений за счет турбулентного перемешивания с большими объемами окружающего воздуха.

Особую опасность представляют вредные (токсичные) примеси. Для газообразного топлива при полном сгорании основными токсичными составляющими являются оксиды серы SО2, SО3 и оксиды азота NО, NО2. Около 99% оксидов серы составляет SО2 и в расчетах выбросов условно принимается, что вся сера переходит в SО2.

Оксиды азота образуются в зоне высоких температур (в ядре факела пламени) в предтопке в результате окисления азота, входящего в состав как смеси горючих газов, так и подаваемого воздуха. На выходе из дымовой трубы NО составляет до 95% от суммы NО + NО2. Однако в процессе распространения дымового факела в атмосфере происходит доокисление NО в NО2 кислородом воздуха. Поэтому массовый выброс оксидов азота из котлов рассчитывается по NО2.

Высота дымовой трубы должна обеспечивать такое рассеивание токсичных веществ в атмосфере, при котором их концентрация у поверхности земли будет меньше предельной допускаемой санитарными нормами. Разовая предельно допускаемая концентрация (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест не должна превышать по SО2 – 0,5 мг/м3, по NО2 – 0,085 мг/м3.

Минимально допустимая высота трубы, при которой выполняется указанное выше требование, рассчитывается по формуле (без учета фоновой загазованности от других источников):

Нmin і , (8.1)

где – коэффициент, учитывающий характер атмосферных течений ( для Нижнего Поволжья принимают = 200); – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения загрязняющих веществ в атмосфере (для газообразных веществ =1); , – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода дымовых газов из устья трубы; , – массовые выбросы вредных веществ, г/с; – максимальная разовая предельно допускаемая концентрация диоксида серы, мг/м3; – объем всех выбрасываемых продуктов сгорания, м3/с: ; – разность между температурой выбрасываемых из трубы продуктов сгорания и температурой атмосферного воздуха.

Массовый выброс окислов азота в г/с (в пересчете на NО2) рассчитывается по приближенной формуле

, (7.2)

где – низшая теплота сгорания смеси горючих газов, КДж/м3; – суммарный расход указанной смеси, м3/с; b – поправочный коэффициент, учитывающий вид топлива и особенности сжигания (в данном случае принимается b=1); – выход NО2 на 1МДж теплоты, выделяющейся при сгорании, г/МДж. Значения при сжигании газообразного топлива определяются по формулам:

для котлов паропроизводительностью = 20 … 265 кг/с

, (7.3)

для котлов паропроизводительностью = 8 … 20 кг/с

, (7.4)

При сжигании газового топлива SО2 образуется в ходе реакции окисления Н2S. В данном случае последний компонент присутствует только в составе отходящих газов, поэтому объем в расчете на 1м3 смеси отходящих газов с природным составляет

, (7.5)

Объемный выброс диоксида серы в единицу времени , м3/с:

. (7.6)

Массовый выброс диоксида серы , г/с:

, (7.7)

где – атмосферное давление; – универсальная газовая постоянная;
– молекулярная масса SO2.

8.1 Расчет экономии топлива

Как уже отмечалось ранее, использование вторичных энергоресурсов, имеющихся практически во всех отраслях промышленности, где применяются теплотехнологические процессы, позволяет обеспечить значительную экономию топлива и энергии.

Экономия топлива за счет использования отходящих газов сажевого производства в котле-утилизаторе для выработки пара определяется по формуле

, (8.1)

где – расход природного газа в смеси с отходящими газами; – количество природного газа, которое потребовалось бы без использования отходящих газов для выработки такого же количества пара тех же параметров, что и в котле-утилизаторе.

Величина приближенно вычисляется по формуле

, (8.2)

Где

.

Теплота, вносимая подогретым воздухом в топку (в расчете на 1м3 природного газа),

, (8.3)

где – объем воздуха необходимый для сжигания 1м3 природного газа при a=1.

На практике часто экономию топлива выражают в тоннах так называемого условного топлива, теплота сгорания которого составляет 29300 кДж/кг:

. (8.4)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

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 включает в 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

Интерполяционные формулы для средних объемных теплоемкостей в изобарном процессе при атмосферном давлении 0,1013 МПа (линейная зависимость)

ГАЗ	= аi + bi t, кДж / (м3ЧК)
ВОЗДУХ	= 1,287 + 1,201Ч10 -4t
H2	= 1,28 + 5,23Ч10-5t
N2	= 1,306 + 1,107Ч10-4t
О2	= 1,313 + 1,577Ч10-4t
СО	= 1,291 + 1,21Ч10-4t
СО2	= 1,7132 + 4,723Ч10-4t
Н2О	= 1,473 + 2,498Ч10 –4t
СН4	= 1,5491 + 1,181Ч10-3t
Н2S	= 1,5072 + 3,266Ч10-4t

Здесь t в °С.

Таблица П 2

Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения

р, 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
hў,кДж/кг	417,5	640,1	762,6	844,7	908,6	962,0	1008,4	1049,8	1087,5	1122,2
hўў,кДж/кг	2,6757	2748,5	2777,0	2790,4	2797,4	2800,8	2801,9	2801,3	2799,4	2796,5

Таблица П3

Термодинамические свойства воды и перегретого пара

t, °C	р = 2,0 МПа			р = 2,5 МПа			р = 4,5 МПа
	n, м3/кг	h, кДж/кг	s, кДж/(кгЧК)	n, м3/кг	h, кДж/кг	s, кДж/(кгЧК)	n, м3/кг	h, кДж/кг	s, кДж/(кгЧК)
0	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 выше разграничительной линии относятся к воде, ниже – к перегретому пару.

**Теплота подогрева воздуха в воздухоподогревателе в выражении (4.33) не учитывается, так как это же количество теплоты отдается продуктами сгорания воздуху в воздухоподогревателе в пределах котельного агрегата, т. е. осуществляется регенерация (возврат) теплоты.

**Продувка – это вывод из котла небольшого количества воды с большой концентрацией растворимых накипеобразующих солей.