Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

Найдем  объем продуктов сгорания при  нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

                                                              (17)

где m_i — масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива, кг;

ρ_i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м³;

М_i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный  объем, м³/кмоль,

 

м³/кг; м³/кг;

м³/кг; м³/кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при  фактическом расходе воздуха:

V = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2,                                                   (18)

V = 1,19 + 2,3+ 10,03 + 0,28 = 13,80 м³/кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

                                                                   (19)

где m_{п. с} - суммарное количество продуктов сгорания, кг/кг;

V - суммарный объем продуктов сгорания (н. у.), м³/кг.

 кг/м³.

Найдем  теплоемкость и энтальпию продуктов  сгорания 1 кг топлива в интервале  температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

Таблица 2

Средние удельные теплоемкости газов с_р, кДж/(кг∙К)

t, °С	O2	N2	CO2	H2O	Воздух
0	0,9148	1,0392	0,8148	1,8594	1,0036
100	0,9232	1,0404	0,8658	1,8728	1,0061
200	0,9353	1,0434	0,9102	1,8937	1,0115
300	0,9500	1,0488	0,9487	1,9292	1,0191
400	0,9651	1,0567	0,9877	1,9477	1,0283
500	0,9793	1,0660	1,0128	1,9778	1,0387
600	0,9927	1,0760	1,0396	2,0092	1,0496
700	1,0048	1,0869	1,0639	2,0419	1,0605
800	1,0157	1,0974	1,0852	2,0754	1,0710
1000	1,0305	1,1159	1,1225	2,1436	1,0807
1500	1,0990	1,1911	1,1895	2,4422	1,0903

 

Энтальпия дымовых газов, образующихся при  сгорании 1 кг топлива:

                            (20)

где с_CO2, с_H2O, с_N2, с_О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t, кДж/(кг · К);

с_t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t, кДж/(кг К);

при 100°С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг.

Результаты  расчетов сводим в табл. 3.

Таблица 3

Энтальпия продуктов сгорания

Температура		Теплоемкость продуктов сгорания сt, кДж/(кг∙К)	Энтальпия продуктов сгорания Ht, кДж/кг
°С	К
100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500	373 473 573 673 773 873 973 1073 1273 1773	18,906 19,092 19,324 19,556 19,783 20,039 20,298 20,546 20,997 22,677	1890,6 3818,4 5792,2 7822,4 9891,5 12023,4 14208,6 16436,8 20997,0 34015,5

 

Рис.2 Зависимость  энтальпии ПС от температуры

 

 

 

2.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в печи (полезная тепловая нагрузка):

                                                         (21)

где G - количество перегреваемого водяного пара в единицу времени, кг/с;

H_вп1 и Н_вп2 - энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;

Вт.

Принимаем температуру уходящих дымовых газов равной 350 °С (623 К). Потери тепла излучением в окружающую среду составят 10 %, причем 9 % из них теряется в радиантной камере, а 1 % - в конвекционной. КПД топки η_т = 0,91.

Потерями  тепла от химического недожога, а  также количеством теплоты поступающего топлива и воздуха пренебрегаем.

Определим КПД печи:

                                                              (22)

где Н_ух - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов, покидающих печь, t_ух температура уходящих дымовых газов принимается обычно на 100 - 150 °С выше начальной температуры сырья на входе в печь; q_пот - потери тепла излучением в окружающую среду, % или доли от Q_пол;

Расход  топлива, кг/с:

                                                                (23)

 кг/с.

 

2.3 Расчет камеры радиации и камеры  конвекции

Задаемся  температурой дымовых газов на перевале: t_п = 750 - 850 °С, принимаем

t_п = 800 °С (1073 К). Энтальпия продуктов сгорания при температуре на перевале

H_п = 16436,8 кДж/кг.

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в радиантных трубах:

                                                     (24)

где Н_п - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов па перевале, кДж/кг;

η_т - коэффициент полезного действия топки;

 Вт.

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в конвекционных трубах:

                                                                   (25)

 Вт.

Энтальпия водяного пара на входе в радиантную секцию составит:

                                                            (26)

где Н_вп2 - энтальпия водяного пара на выходе из печи, кДж/кг;

Q_р- тепловой поток, воспринятый водяным паром в радиантных трубах, Вт;

G- производительность печи по водяному пару, кг/с.

 кДж/кг.

Принимаем величину потерь давления в конвекционной  камере ∆P_к = 0,15 МПа, тогда:

P_к = P - P_к,                                                                 (27)

P_к = 0,5 – 0,15 = 0,35 МПа.

Температура входа водяного пара в радиантную секцию t_к = 370 °С [4,c.98], тогда средняя температура наружной поверхности радиантных труб составит:

                                                         (28)

где Δt - разность между температурой наружной поверхности радиантных труб и температурой водяного пара (сырья), нагреваемого в трубах; Δt = 20 - 60 °С;

К.

Максимальная  расчетная температура горения:

                                                                  (29)

где t_o - приведенная температура исходной смеси топлива и воздуха; принимается равной температуре воздуха, подаваемого на горение;

с_п.с. - удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре t_п;

°С.

 

При t_max = 1869,3 °С и t_п = 800 °С теплонапряженность абсолютно черной поверхности q_s [5] для различных температур наружной поверхности радиантных труб имеет следующие значения:

Θ, °С       200           400            600

q_s, Вт/м² 1,45 ∙ 10⁵  1,20 ∙ 10⁵    0,80 ∙ 10⁵

Строим  вспомогательный график (рис. 3), по которому находим теплонапряженность при Θ = 585 °С:

Рис.3 Зависимость  теплонапряженности от температуры стенки

q_s = 0,9 ∙ 10⁵ Вт/м².

Рассчитываем  полный тепловой поток, внесенный в  топку:

                                                               (30)

 Вт.

Предварительное значение площади эквивалентной  абсолютно черной поверхности:

                                                                        (31)

где Q- полный тепловой поток, внесенный в топку, Вт;

q_s- теплонапряженность, Вт/м².

 м².

Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 [3, c.310] и для α = 1,12 находим, что H_s/H_л = 0,79.

Величина  эквивалентной плоской поверхности:

                                                              (32)

м².

Принимаем однорядное размещение труб и шаг  между ними:

S = 2d_н = 2 ∙ 0,152 = 0,304 м. Для этих значений фактор формы К = 0,87 [3, c.306].

Величина  заэкранированной поверхности кладки:

                                                                    (33)

 м².

Поверхность нагрева радиантных труб:

                                                                     (34)

 м².

Выбираем  печь ББ2 , ее параметры:

поверхность камеры радиации, м²                                                                                                180

поверхность камеры конвекции, м²                                                                                                                               180

рабочая длина  печи, м                                                                                                                        9

ширина камеры радиации, м                                                                                                          1,2

исполнение                                                                                                                                          б

способ сжигания топлива                                                                              беспламенное горение

диаметр труб камеры радиации, мм                                                                                         152×6

диаметр труб камеры конвекции, мм                                                                                       114×6

Число труб в камере радиации:

                                                           (35)

где d_н - наружный диаметр труб в камере радиации, м;

l_пол - полезная длина радиантных труб, омываемая потоком дымовых газов, м,

l_пол = 9 – 0,4∙2 = 8,2 м,

.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб:

                                                                          (36)

 Вт/м².

Определяем  число труб камеры конвекции:

                                                            (37)

Располагаем их в шахматном порядке по 3 в  одном горизонтальном ряду. Шаг между  трубами S = 1,7d_н = 0,19 м.