Курсовая работа: 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

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; a – коэффициент избытка воздуха в топке.

Таблица 2

Характеристики отходящих газов сажевого производства

Примечание. В табл.2 W^Р – 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

Примечание. В табл.3 использованы следующие обозначения:  – низшая теплота сгорания сухого природного газа (ПГ);  – теоретически необходимый объем воздуха для полного сжигания 1 м³ ПГ;  – объем сухих трехатомных газов в продуктах сгорания ПГ; ,  – теоретические объемы азота и водяного пара в продуктах сгорания ПГ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Ознакомиться с устройством котлов-утилизаторов

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

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

3. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

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

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

Вторичные энергоресурсы могут быть разделены на две основные группы:

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

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

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

3.1 Котлы-утилизаторы в сажевом производстве

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

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

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

4. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

4.1 Состав продуктов сгорания

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

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

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

Теоретический объем продуктов сгорания состоит из объёмов следующих компонентов:

, (4.1)

где

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

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

, (4.2)

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

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

При a>1 в продуктах сгорания появляется избыточный воздух :

. (4.3)

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

, (4.4)

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

4.2 Определение расходов горючих газов и воздуха

4.2.1 Расход горючих газов

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

, (4.5)

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

. (4.6)

Суммарный расход горючих газов составляет:

. (4.7)

4.2.2 Расход воздуха на горение

Теоретически необходимый объем  (м³/м³) воздуха для полного сжигания 1 м³ смеси ОГ с ПГ определяется по формуле

 , (4.8)

где  и  – соответственно теоретические объемы воздуха для сжигания отходящих газов сажевого производства и природного газа.

В свою очередь

, (4.9)

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

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

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

4.3 Объем продуктов сгорания

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

. (4.10)

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

, (4.11)

где СО₂, CO, Н₂S, C_mH_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 W^Р – содержание влаги в отходящих газах, %;  – плотность водяного пара, кг/м³ (при нормальных условиях  = 0,804 кг/м³).

Суммарный объем  водяного пара в продуктах сгорания составляет

. (4.15)

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

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

. (4.16)

4.4 Теплота сгорания смеси газообразных топлив

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

, (4.17)

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

4.5 Энтальпии воздуха, отходящих газов и продуктов сгорания

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

4.5.1 Энтальпия продуктов сгорания

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

 (4.18)

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

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

, (4.19)

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

При этом формула энтальпии смеси (4.18) принимает вид:

. (4.20)

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

, (4.21)

где

, .

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

4.5.2 Энтальпия воздуха

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

, (4.22)

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

, (4.23)

где t – температура воздуха, °С.

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

. (4.24)

4.5.3 Энтальпия отходящих газов

Энтальпия отходящих газов определяется по формуле:

, (4.25)

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

4.6 Определение теоретической температуры продуктов сгорания

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

, (4.26)

где – энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки,  – доля теплоты, теряемая от химической неполноты сгорания ( %),  – теплота, вносимая в топку смесью отходящих газов с природным,  – теплота, вносимая в топку воздухом, приходящим из воздухоподогревателя.

Теплота, вносимая смесью ОГ с ПГ

 , (4.27)

где  и  – теплота, вносимая в топку соответственно отходящими газами и природным газом. Величина  равняется энтальпии отходящих газов :

 (4.28)

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

. (4.29)

Теплота , вносимая в топку с воздухом, равна его энтальпии на выходе из воздухоподогревателя и может быть вычислена по формуле (4.24) при условии, что на входе в воздухоподогреватель температура воздуха составляет 60…80 °С, а в воздухоподогревателе она повышается на 200…250 °С.

Определив  формуле (4.26), можно найти температуру продуктов сгорания на выходе из топки как

. (4.30)

5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ТЕПЛОВОЙ КПД КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

5.1 Составляющие теплового баланса

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

=. (4.31)

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

=. (4.32)

Располагаемая теплота  включает в себя все виды теплоты, внесенной в котел*:

, (4.33)

где  и  – соответственно низшая теплота сгорания и физическая теплота смеси ОГ с ПГ;  – теплота, внесенная в котлоагрегат воздухом при подогреве его вне агрегата посторонним источником энергии (не в воздухоподогревателе котла).

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

, (4.34)

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

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

, (4.35)

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

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

, (4.36)

где  и т. д.

5.2 Коэффициент использования теплоты

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

. (4.37)

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

, (4.38)

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

6. ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОТЛА

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

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

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

, (4.39)

где  – расход смеси ОГ с ПГ;  – располагаемая теплота; h – коэффициент использования теплоты, %; , ,  – энтальпии соответственно перегретого пара, питательной воды и кипящей (продувочной) воды в барабане парового котла;  – коэффициент, учитывающий расход кипящей воды на непрерывную продувку* котла. Величина этого коэффициента , где  – расход продувочной воды, и составляет обычно 0,015 … 0,05. Температура питательной воды составляет 140 … 150 °С.

7. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

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

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

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

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

7.1 Виды эксергии, используемые при анализе эффективности котла-утилизатора

7.1.1 Эксергия потока вещества

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

, (7.1)

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

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

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

, (7.2)

, (7.3)

где  – среднелогарифмическая температура в интервале от до :

. (7.4)

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

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

, (7.5)

, (7.6)

. (7.7)

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

. (7.8)

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

7.1.2 Химическая эксергия

Химическая (нулевая) эксергия  – это та максимальная работа, которая может быть получена в результате преобразования какого-либо вещества, т. е. определенного соединения химических элементов, в другие соединения этих элементов, наиболее распространенные в окружающей среде и находящиеся с ней в равновесии. Такое преобразование должно осуществляться в ходе обратимой химической реакции при ,  с участием дополнительных веществ (окислителя, катализатора).

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

Для газообразного топлива, а также горючих отходящих газов:

, (7.9)

где  – низшая теплота сгорания.

7.2 Эксергетический баланс котла-утилизатора

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

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

, (7.10)

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

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

 , (7.11)

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

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

. (7.12)

Физическая эксергия смеси отходящих газов с природным:

. (7.13)

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

, (7.14)

где

;  – энтальпии отходящих газов, соответственно, при  и .

Эксергия воздуха на входе в котел

, (7.15)

где , , – энтальпии воздуха при  и .

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

, (7.16)

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

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

Суммарный поток эксергии, уходящий из установки, складывается следующим образом:

, (7.17)

где  – эксергия потока перегретого пара;  – эксергия продуктов сгорания, покидающих котел (на выходе из экономайзера);  – эксергия продуктов неполного окисления (химический недожог) смеси отходящих и природного газов в топке котла;  – эксергия несгоревшего (физический недожог) топлива (для газообразных горючих  = 0);  – эксергия потока теплоты, теряемой через стенки котла в окружающую среду.

Эксергия потока перегретого пара

, (7.18)

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

Эксергия потока уходящих из котла продуктов сгорания

, (7.19)

где

.

Эксергия продуктов неполного окисления

. (7.20)

Эксергия потока теплоты в окружающую среду

, (7.21)

где

.

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

. (7.22)

Потери эксергии из-за необратимости процесса горения

, (7.23)

или

, (7.24)

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

. (7.25)

Здесь

.

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

. (7.26)

7.3 Эксергетический КПД котла-утилизатора

Эксергетический КПД  характеризует долю полезно использованной эксергии

, (7.27)

где ,  – соответственно затраченная и использованная эксергии;

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

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

. (7.28)

8. РАСЧЕТ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

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

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

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

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

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

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

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

Н_min ³ , (8.1)

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

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

 , (7.2)

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

для котлов паропроизводительностью  = 20 … 265 кг/с

 , (7.3)

для котлов паропроизводительностью  = 8 … 20 кг/с

, (7.4)

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

, (7.5)

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

. (7.6)

Массовый выброс диоксида серы , г/с:

, (7.7)

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

8.1 Расчет экономии топлива

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

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

, (8.1)

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

Величина  приближенно вычисляется по формуле

, (8.2)

Где

.

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

, (8.3)

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

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

. (8.4)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назначение котла-утилизатора.

2. Устройство котла-утилизатора типа ПКК, назначение его отдельных элементов.

3. Методика расчета процесса сгорания в котле-утилизаторе.

4. Как рассчитываются энтальпии воздуха и продуктов сгорания?

5. Тепловой баланс котла-утилизатора.

6. Коэффициент использования теплоты и его вычисление.

7. Что включает в себя располагаемая теплота?.

8. Методика расчета действительной паропроизводительности котла.

9. Адиабатная температура горения и ее вычисление.

10. Понятие эксергии.

11. Каковы цели эксергетического анализа котла-утилизатора?

12. Виды эксергии и расчетные формулы.

13. Эксергетический баланс котла-утилизатора.

14. Эксергетический КПД.

15. Формула для приближенного вычисления эксергии потока продуктов сгорания.

16. Формулы для вычисления эксергий потоков перегретого пара и питательной воды.

17. Виды потерь эксергии в котле.

18. Методика расчета дымовой трубы.

19. Методика расчета экономии топлива.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица П 1

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

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.

* 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.