Термодинамический анализ эффективности агрегатов энерготехнологических систем
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… Читать ещё >
Термодинамический анализ эффективности агрегатов энерготехнологических систем (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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, % | ||||
100/2,4−200−5 | 2,4 | 17,0 | 0,05 | 1,0 | 0,7 | 1,30 | ||||
75/2,4−150−5 | 2,4 | 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, % | Т | |||
75/4,5−150−5 | 4,5 | 12,5 | 0,03 | 1,2 | 0,8 | 1,26 | ||||
30/2,4−70−5 | 2,4 | 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; - 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 | ||||
4,0 | 16,20 | 12,10 | 0,30 | 0,20 | 0,30 | 66,90 | 35,0 | |||
3,9 | 16,25 | 12,08 | 0,32 | 0,19 | 0,31 | 66,95 | 34,5 | |||
3,8 | 16,30 | 12,06 | 0,34 | 0,18 | 0,32 | 67,00 | 34,0 | |||
3,7 | 16,35 | 12,04 | 0,36 | 0,17 | 0,33 | 67,05 | 33,5 | |||
3,6 | 16,40 | 12,02 | 0,38 | 0,16 | 0,34 | 67,10 | 33,0 | |||
4,1 | 16,15 | 12,00 | 0,40 | 0,15 | 0,35 | 66,85 | 35,0 | |||
4,2 | 16,10 | 12,12 | 0,28 | 0,21 | 0,29 | 66,80 | 35,5 | |||
4,3 | 16,05 | 12,14 | 0,26 | 0,22 | 0,28 | 66,75 | 36,0 | |||
4,4 | 16,00 | 12,16 | 0,24 | 0,23 | 0,27 | 66,70 | 36,5 | |||
4,5 | 15,95 | 12,18 | 0,22 | 0,24 | 0,26 | 66,65 | 37,0 | |||
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 | ||
Кумертау_Магнитогорск | 9,74 | 1,06 | 7,79 | 2,13 | |||
Шебелинка_Брянск — Москва | 9,98 | 1,07 | 7,90 | 2,22 | |||
Саратов_Москва | 9,52 | 1,04 | 7,60 | 2,10 | |||
Кулешовка _ Самара (попутный газ) | 10,99 | 1,26 | 8,82 | 2,28 | |||
Бухара_Урал | 9,73 | 1,04 | 7,70 | 2,18 | |||
Средняя Азия_Центр | 9,91 | 1,07 | 7,84 | 2,21 | |||
Оренбург _ Совхозное | 10,05 | 1,08 | 7,94 | 2,23 | |||
Серпухов _ Санкт-Петербург | 10,00 | 1,08 | 7,93 | 2,21 | |||
Ставрополь_Невинномысск | 9,47 | 1,00 | 7,49 | 2,14 | |||
СаушиноЛог _ Волгоград | 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 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, 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 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, %; 12 636, 10 798, 23 400 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 1 м3 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; икоэффициенты 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 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.:
(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 Продувка — это вывод из котла небольшого количества воды с большой концентрацией растворимых накипеобразующих солей. 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/(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 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, (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; - поправочный коэффициент, учитывающий вид топлива и особенности сжигания (в данном случае принимается =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 1 м3 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 1 м3 природного газа),
(8.3)
где — объем воздуха необходимый для сжигания 1 м3 природного газа при =1.
На практике часто экономию топлива выражают в тоннах так называемого условного топлива, теплота сгорания которого составляет 29 300 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 / (м3К) | |
ВОЗДУХ | = 1,287 + 1,20 110 -4t | |
H2 | = 1,28 + 5,2310-5t | |
N2 | = 1,306 + 1,10 710-4t | |
О2 | = 1,313 + 1,57 710-4t | |
СО | = 1,291 + 1,2110-4t | |
СО2 | = 1,7132 + 4,72 310-4t | |
Н2О | = 1,473 + 2,49 810 —4t | |
СН4 | = 1,5491 + 1,18 110-3t | |
Н2S | = 1,5072 + 3,26 610-4t | |
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 | |||||||
м3/кг | h, кДж/кг | s, кДж/(кгК) | м3/кг | h, кДж/кг | s, кДж/(кгК) | м3/кг | h, кДж/кг | s, кДж/(кгК) | ||
0,10 | 2,0 | 0,0000 | 0,10 | 2,5 | 0,0000 | 0,10 | 4,5 | 0,0002 | ||
0,101 | 211,0 | 0,7026 | 0,101 | 211,4 | 0,7023 | 0,101 | 213,1 | 0,7014 | ||
0,104 | 420,5 | 1,3054 | 0,104 | 420,9 | 1,3050 | 0,104 | 422,4 | 1,3034 | ||
0,109 | 633,1 | 1,8399 | 0,109 | 633,4 | 1,8394 | 0,109 | 634,6 | 1,8372 | ||
0,115 | 852,6 | 2,3300 | 0,115 | 852,8 | 2,3292 | 0,115 | 853,6 | 2,3260 | ||
0,1115 | 2902,5 | 6,5460 | 0,8 701 | 2879,9 | 6,4087 | 0,125 | 1085,8 | 2,7923 | ||
0,1255 | 3024,0 | 6,7679 | 0,9 892 | 3009,4 | 6,6454 | 0,5 136 | 2943,9 | 6,2848 | ||
0,1386 | 3137,2 | 6,9574 | 0,1098 | 3126,6 | 6,8415 | 0,5 840 | 3081,3 | 6,5149 | ||
0,1512 | 3248,1 | 7,1285 | 0,1201 | 3239,9 | 7,0165 | 0,6 473 | 3205,8 | 6,7071 | ||
0,1635 | 3357,7 | 7,2855 | 0,1301 | 3351,0 | 7,1758 | 0,7 070 | 3323,8 | 6,8763 | ||
Примечание. Числовые значения выше разграничительной линии относятся к воде, ниже — к перегретому пару.