Термодинамический анализ эффективности агрегатов энерготехнологических систем
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.
, (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/(кг×К).
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
³ ,
(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 / (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
|
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
|
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
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/(кг×К)
|
n,
м3/кг
|
h,
кДж/кг
|
s,
кДж/(кг×К)
|
n,
м3/кг
|
h,
кДж/кг
|
s,
кДж/(кг×К)
|
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
|
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.