Тепловой расчет и эксергетический анализ парогенераторов химической технологии

^оС; ^оС; МПа;

где - температура перегретого пара;

- температура питательной воды;

- давление в котле-утилизаторе;

 

4.2.5  Из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара определяем параметры пара при и ; и питательной воды при и ;

кДж/кг[1, с. 337]                               кДж/(кг·К)[1, с. 337]

кДж/кг[1, с. 333]                          кДж/(кг·К)[1, с. 333]

кДж/кг[1, с 325]                                   кДж/(кг·К)[1, с. 329]

^оС[1, с. 329]

 

 

4.2.6  Паропроизводительность котла – утилизатора при 5% потерях теплоты в окружающую среду в случае получения перегретого пара, кг/с:

,

кг/с

 

4.2.7  Температура газов на входе в нагревательный участок определяется из теплового баланса последнего

,

 

Отсюда

,

где - КПД котла – утилизатора,  ;

- теплоемкость воды, равная  кДж/(кг·К);

 

^оС

 

4.2.8  Температура газов на выходе из участка перегрева определяется по

уравнению теплового  баланса участка (при получении  перегретого пара)

 

,

Отсюда

,

 

^оС

 

4.2.9  Средний температурный  напор, ^оС:

 

а) нагревательного участка

,

^оС

 

 

б)  испарительного участка

 

,

^оС

в)  участка перегрева

,

^оС

 

4.2.10  Поверхность нагрева котла – утилизатора, м²:

 

а) нагревательного участка

,

м²

б)  испарительного участка

 

,

где

- теплота парообразования, определяется по таблицам

термодинамических свойств  воды и водяного пара в состоянии

насыщения пара при

;

                         =2015кДж/кг;

 

м²

 

в)  участка перегрева

,

м²

 

4.2.11  Общая поверхность нагрева котла – утилизатора, м²:

,

м²

 

 

 

4.2.12 Длина труб, м:

,

                             где - число котлов – утилизаторов;

                                   =1;

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7

График изменения температур вдоль поверхности нагрева котла-утилизатора

 

4.3 Термодинамическая эффективность работы котла-утилизатора

4.3.1  Уменьшение эксергии продуктов сгорания в котле–утилизаторе, кДж/с:

,

кДж/с

 

4.3.2  Приращение эксергии пара, образующегося в котле–утилизаторе в случае получения перегретого пара, кДж/с:

,

кДж/с

 

 

4.3.3  Потери эксергии в котле – утилизаторе, кДж/с:

,

кДж/с

 

4.3.4  Эксергетический КПД котла–утилизатора

,

.

 

4.4 Термодинамическая оценка эффективности совместной работы котельного агрегата с котлом- утилизатором

 

4.5  Составим эксергетический баланс котельного агрегата без воздухоподогревателя, но с котлом – утилизатором, кДж/м³:

,

.

,

 

кДж/м³

или в %

,

 

.

 

При использовании котельного агрегата с воздухоподогревателем, эксергия уходящих газов составляет или - меньше, чем при использовании котла – утилизатора, т.е. работа совершаемая уходящими газами в процессе, в первом случае меньше.

Таким образом, использование  котлов – утилизаторов делает работу котельного – агрегата эффективнее  и энергетически совершеннее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.  Схема котла-утилизатора и ее краткое описание

 

Котлы-утилизаторы предназначены для использования физической теплоты газообразных продуктов и отходов химических производств или теплоты экзотермических реакций окисления исходного газообразного сырья для получения энергетического либо технологического пара. Котлы-утилизаторы, использующие теплоту сгорания или теплоту экзотермических реакций окисления указанных веществ, имеют топочные устройства для сжигания или окисления этих веществ.

При высоких температурах газов (более 900^оС) эти котлы снабжаются радиационными (экранными) поверхностями нагрева и имеют такую же компоновку, как и обычный паровой котел, только вместо топки – радиационная камера, в которую снизу входят газы. Воздухоподогреватель отсутствует, если горячий воздух не нужен производству. Газы сначала охлаждаются в радиационной камере как в топке «обычного» котла. Большой свободный объем этой камеры позволяет иметь повышенную толщину излучающего слоя и , как следствие, повышенную степень черноты газов. Поэтому здесь теплота в основном передается излучением.

При температуре газов  ниже 900^оС и котлах-утилизаторах обычно используются только конвективные поверхности нагрева. Эти агрегаты радиационной камеры не имеют, а целиком выполнены из змеевиков.

Котел-утилизатор типа КУ-16 устанавливают за нагревательными, мартеновскими, обжиговыми печами, а также используют в химической и других отраслях промышленности. Разработан для установки в закрытом помещении. Рассчитан на работу под разряжением. Сейсмичность района установки 6 баллов.

Котел – газотурбинный, с естественной циркуляцией, с горизонтальным расположением испарительных поверхностей. Внутренний диаметр барабана котла КУ-16 – 2200 мм, толщина стенки обечайки – 16, днищ – 20 мм. Материал обечайки и днищ – сталь 20К. Барабан имеет внутрибарабанное паросепарационное устройство в виде дырчатого листа и жалюзи.

Газ проходит по 239 дымогарным трубам диаметром 60×3мм (сталь 20).

К барабану котла крепится входная и выходная газовые камеры. Внутри входной газовой камеры имеется пароперегреватель с горизонтальным расположением змеевиков. Диаметр труб пароперегревателя – 32×3 мм (сталь 20).

Обмуровка входной газовой  камеры – многослойная, выполнена из слоев шамотобетона, термоизоляционного бетона и матрацев из шлаковаты. Газоходы котла имеют наружную теплоизоляцию.

Для оистки поверхностей нагрева дымогарных труб котла КУ – 16 предусмотрено обдувочное устройство.

        Котел снабжен необходимой арматурой, гарнитурой, устройством для отбора проб пара и воды, а также контрольно-измерительными приборами. Питание котла и сигнализация уровня воды в барабане автоматизированы.

 

 

Котел поставляется транспортабельными блоками в следующем комплекте: барабан, входная и выходная газовые камеры, внутрибарабанное устройство, арматура котла, помосты и лестницы, гарнитура и опоры барабана, обдувочное устройство, установка для отбора пара и воды, пароперегреватель, трубопровод в пределах котла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.8. Котел-утилизатор КУ-16

 

 

 

6  Схема блочного контактного экономайзера и ее краткое описание.

        В связи с периодом многих стационарных установок на природный газ, продукты сгорания которого не содержат твердые частицы и оксиды серы, для использования физического тепла низкотемпературных уходящих газов можно применять более простые, дешевые и менее металлоемкие контактные теплообменники. Это дает возможность не только сократить стоимость утилизационной установки, но и обеспечивает глубокое охлаждение уходящих газов ниже точки росы, которая для сгорания природного газа составляет 50 – 60 ⁰С. При этом используется не только физическое тепло уходящих газов, но и теплота конденсации содержащихся в них водяных паров.

        Насадкой в контактном экономайзере  служат керамические кольца Рашига  размером 50×50 мм. Рабочая насадка укладывается высотой 1 м в шахматном порядке. Каплеулавливающая насадка высотой 0,2 м загружается

“внавал”. Вода может нагреваться в этих экономайзерах до 50 – 60 ⁰С. Нагретая вода используется для производственных и бытовых нужд.

        Аналогичные теплообменники можно применять для утилизации тепла уходящих газов некоторых промышленных печей, сушилок, газовых турбин и других установок, работающих на природном газе. Продукты сгорания природных газовых применяются также в контактных газовых сушилках в различных отраслях промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – корпус;

2, 7, 10 – средняя, нижняя  и верхняя насадки;

3 – рабочая насадка;

4 – опорная решетка;

5 – патрубок подвода;

6 – штуцер отбора  горячей воды;

8 – опорная решетки;

9 – слой каплеулавливающей  насадки;

11 – патрубок отвода  газов.

 

Рис.9. Блочный контактный экономайзер

 

 

7  Схема воздухоподогревателя

 

Применение подогрева  воздуха в котельных установках ускоряет и улучшает процесс горения, уменьшает потери теплоты с уходящими газами и увеличивает к.п.д. установки, повышает температуру горения топлива и тем самым температуру дымовых газов в топочном пространстве, улучшает радиационный теплообмен, уменьшает потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания. Введение в топку подогретого воздуха увеличивает удельную тепловую нагрузку топочного объема и зеркала горения, что приводит к увеличению мощности топочного устройства или уменьшению его размеров при той же мощности. Так снижение температуры уходящих газов на 15…25^оС повышает к.п.д. котельной установки на 1%.

В настоящее время  наибольшее распространение получили стальные трубчатые воздухоподогреватели. Их изготавливают из труб диаметром 43..51 мм и толщиной стенок 1,5..2 мм. Трубы располагают вертикально в шахматном порядке и приваривают к двум трубным решеткам, образуя отдельную секцию, называющую кубом воздухоподогревателя. Воздухоподогреватель собирают обычно из нескольких кубов, соединенных между собой перепускными коробами. Дымовые газы движутся внутри труб, воздух, нагнетаемый вентилятором омывает их снаружи в поперечном направлении.

Трубчатые воздухоподогреватели весьма просты в изготовлении, характеризуются  высокой плотностью воздуха и  минимальным его присосом, коэффициенты теплопередачи для поверхностей относительно велики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – трубки

2 – трубные доски

3 - перегородка

4 – перепускные короба.

 

 

Рис.10. Трубчатый воздухоподогреватель

 

 

8  Схема горелки

 

Для сжигания природного газа применяются горелки с внешним  смешением и горелки инжекционного  типа. Горелки служат для подачи газа и воздуха в топку в  количествах, необходимых для устойчивого  процесса горения.

Инжекционные горелки  с полным внутренним смешением газа с воздухом дают короткий несветящийся факел. Такие горелки называют беспламенными. Сжигание газа в таких горелках идет по кинетическому механизму.

Так как при сжигании природного газа в топках развиваются  высокие температуры топки должны быть экранированы.

Такие камерные топки  выполняют в виде прямоугольных  камер, стены которых покрыты  лучевоспринимающими экранами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.11. Схема горелки.

 

 

9  Заключение

В данной работе произведен расчет котельного агрегата: расчет процесса горения Мелитопольского газа в топке котла, а также приведен расчет   процесса горения на ЭВМ и ht – диаграмма продуктов сгорания топлива.       Была исследована зависимость влияния температуры уходящих газов на КПД брутто котельного агрегата с воздухоподогревателем при постоянстве  коэффициента избытка воздуха и построена -диаграмма, по которой видно, что с увеличением температуры уходящих газов t_ух уменьшается КПД брутто котельного агрегата с воздухоподогревателем при  α_ух = const в линейной форме, значит увеличиваются потери теплоты с уходящими газами, т.е. уменьшается эффективность котельного агрегата.