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 |
В>ог>> >м3/с |
x |
q>Х>, % |
q>НО>, % |
|
||
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 |
В>О.Г>, м3/с |
х |
q>Х>, % |
q>Н.О>, % |
>Т> |
||
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, t>пп> – соответственно паропроизводительность, давление и температура вырабатываемого пара, относящиеся к номинальному режиму работы котла; B>ог> – расход сухих отходящих газов сажевого производства; х – объемная доля природного газообразного топлива в смеси с отходящими газами; q>Х>, q> Н.О> – доли располагаемой теплоты, теряемые соответственно от химической неполноты сгорания и наружного охлаждения; – коэффициент избытка воздуха в топке.
Таблица 2
Характеристики отходящих газов сажевого производства
Объемный состав сухой массы отходящих газов, % |
WР, % |
t>ог>, С |
|||||||
CO>2> |
CO |
H>2> |
H>2>S |
CH>4> |
O>2> |
N>2> |
|||
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; t>ог> – температура отходящих газов.
Таблица 3
Теплота сгорания, расход воздуха на горение и объемы продуктов сгорания природных газообразных топлив
Газопровод |
|
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, Н>2> и др.) и 80% балласта (СО>2>, N>2> 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, H>2>, H>2>S, CH>4> и другие) взаимодействуют с окислителем – кислородом воздуха, и образуют окислы CO>2>, SO>2>, H>2>O 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 будет несколько возрастать по длине газового тракта. При работе котла с воздуходувкой давление в газоходах выше атмосферного, поэтому подсосов воздуха нет и значение сохраняется неизменным.
При
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 =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, Н>2>, Н>2>S 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 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
СО>2>,
CO,
Н>2>S,
C>m>H>n>>
>–
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
N>2(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,
H>2>,
H>2>S,
… – 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 , %:
.
(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;
– 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 р>1> р>0> 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/(кгК).
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 SО>2>, SО>3> и оксиды азота NО, NО>2>. Около 99% оксидов серы составляет SО>2> и в расчетах выбросов условно принимается, что вся сера переходит в SО>2>.
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 + NО>2>. Однако в процессе распространения дымового факела в атмосфере происходит доокисление NО в NО>2> кислородом воздуха. Поэтому массовый выброс оксидов азота из котлов рассчитывается по NО>2>.
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 SО>2> – 0,5 мг/м3, по NО>2> – 0,085 мг/м3.
Минимально допустимая высота трубы, при которой выполняется указанное выше требование, рассчитывается по формуле (без учета фоновой загазованности от других источников):
Н>min>
,
(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 NО>2>) рассчитывается по приближенной формуле
,
(7.2)
где
– низшая теплота сгорания смеси горючих
газов, КДж/м3;
– суммарный расход указанной смеси,
м3/с;
– поправочный коэффициент, учитывающий
вид топлива и особенности сжигания (в
данном случае принимается =1);
– выход NО>2>
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 SО>2>
образуется в ходе реакции окисления
Н>2>S.
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 SO>2>.
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 =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 |
|
ВОЗДУХ |
|
H>2> |
|
N>2> |
|
О>2> |
|
СО |
|
СО>2> |
|
Н>2>О |
|
СН>4> |
|
Н>2>S |
|
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 |
t>Н>, 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 |
||||||
, м3/кг |
h, кДж/кг |
s, кДж/(кгК) |
, м3/кг |
h, кДж/кг |
s, кДж/(кгК) |
, м3/кг |
h, кДж/кг |
s, кДж/(кгК) |
|
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.