124450 (690013), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

, (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 продувку² 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):

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 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 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 =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)

Здесь t в С.

Таблица П 2

Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения

Таблица П3

Термодинамические свойства воды и перегретого пара

Примечание. Числовые значения выше разграничительной линии относятся к воде, ниже – к перегретому пару.

1 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.

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

Характеристики

Список файлов курсовой работы