Неполное сгорание учитывается увеличенным расходом воздуха (см. ниже) при расчете котла-утилизатора.
По расчету реакций окисления составляется таблица материального баланса.
Температуру сгорания определяют по формуле:
через теплоту сгорания топлива, теплоту диссоциации воды и диоксида углерода, объем продуктов сгорания (на единицу топлива), объемную теплоемкость продуктов сгорания.
Температура продуктов сгорания находится по энтальпии продуктов сгорания:
Вывод формулы для t
a и b – постоянные интерполяционной формулы средней объемной теплоемкости i-го компонента продуктов сгорания (ПС) смеси ОГ и ПГ в изобарном процессе.
Температура продуктов реакции при аналитической интерполяции см. [7,с.21].
В расчете процесса горения находят:
– материальный баланс,
– теплоту сжигания смеси
– объемные доли и парциальные давления трехатомных продуктов сгорания,
– энтальпию отходящих газов,
– постоянные расчетного уравнения энтальпии продуктов.
3. Расчет котла-утилизатора
Рассмотрим методику, применяемую в теплотехнике.
Коэффициент избытка воздуха показывает степень конверсии воздуха в процессе сжигания:
то есть равен отношению действительного количества воздуха к теоретическому по процессу.
Количество избыточного воздуха:
Для теоретического расхода воздуха объем продуктов сгорания:
Избыточный воздух увеличивает количество водяного пара по сравнению с теоретическим количеством на величину Δ:
Теоретически необходимое количество воздуха на сжигание 1 куб.м смеси из утилизируемого с добавляемым топливом (газом) [6]:
В формуле обозначении «СО» и др. указывают объемную долю в % компонента в сухой массе отходящих газов.
показывает воздух для полного сжигания природного газа в объеме 1 куб.м.
Индекс «ПГ» используется для случая применения природного газа, «ОГ» для отходящих газов.
Доля природного газа в единицах объема в смеси [6]:
(суммарный расход газа состоит из газов с индексами «ОГ» и «ПГ»).
Объемы продуктов сгорания [6]:
– действительный объем водяного пара (в куб.м/куб.м):
влагосодержание отходящих газов (в г/куб.м):
(– объемная доля в % влаги в отходящих газах, для водяного пара при н.у.
– объем азота теоретический (в куб.м/куб.м):
– объем трехатомных газов (в куб.м/куб.м):
– объем избыточного воздуха (в куб.м/куб.м):
Суммарно
Объемные доли [6]:
– водяного пара:
– сухих трехатомных газов:
– трехатомных газов
Парциальное давление:
(при отсутствии наддува
Низшая теплота сгорания сухой смеси сжигаемых газов и добавляемого горючего агента (в рассматриваемом примере природный газ):
Числа 12636, 10798 и др. являются низшей теплотой сгорания горючих компонентов отходящих газов в кДж/куб.м.
В котле-утилизаторе процесс течения газа по газоходу котла условно относится к изобарному по данным [6]. В этом случае теплота Q представляет собой разность энтальпий на входе и выходе:
При расчете котла-утилизатора рассчитывается тепло, передаваемое от горячих газов к хладагенту, то есть воде, воздуху, пару, подводимым к газовым смесям.
Для воздуха используются энтальпии при разных значениях температуры воздуха и разных значения энтропии (физической теплоты [6]) газов с температурой на входе в котел. По данным [6] энтальпии продуктов сгорания и воздуха рассчитываются на 1 куб. м горючих газов, поступающих в топку котла-утилизатора.
Тепловой баланс котла-утилизатора [6] аналогичен тепловому балансу химической реакции в методике инженерной химии [4]. Но за некоторыми отличиями.
Теплом приходя является располагаемая теплота:
Из уравнения теплового баланса
То есть равно сумме полезной теплоты (нагрев воды или получение пара), теплоты исходящих газов, теплоты химической неполноты сгорания газовой смеси, потерь теплоты в окружающую среду через наружное ограждение [6].
Как правило уравнения теплового баланса записывают в теплотехнике при принятии располагаемой теплоты за 100%:
Располагаемая теплота состоит из низшей теплоты сгорания (см. выше), физической теплоты газообразной смеси, внесенной теплоты с подогретым от какого-либо источника воздуха вне воздухоподогревателя котла-утилизатора [6, 7]:
Физическая теплота смеси [6, 7]:
При этом теплота отходящих газов равна их энтальпии
По указанию [6] значением пренебрегают
Теплота, выносимая из котла с отходящими газами [6, 7]:
– энтальпия продуктов сгорания;
– энтальпия теоретического расхода холодного воздуха;
– коэффициент избытка воздуха в отходящих газах.
Теплота, вносимая с подогретым воздухом вне подогревателя равна разности энтальпий на входе в воздухоподогреватель и холодного воздуха [6, 7]:
Тепловыделение в топке котла-утилизатора [6, 7]:
Паропроизводительность котла-утилизатора без промежуточного перегрева пара (с отсутствием вторичного пароперегревателя) [6, 7]:
qх – потери от неполноты химических реакций сгорания
Рассмотрим расчет теплообмен на поверхностях нагрева
Для всех тепловых устройств, входящих в состав котла-утилизатора (пучков испарения, воздухоподогревателя, пароперегревателя, экономайзера) рассчитываются тепловые балансы и теплопередача.
Основание методики расчета [7] в том, что тепло от горячего теплоносителя равно теплу, полученному холодным теплоносителем за вычетом потерь.
Для тепловых устройств котла теплота, переходящая от горячего к холодному теплоносителю, определяется по формуле [6]:
При отсутствии присоса воздуха в газоход
Уравнение теплопередачи используется общеизвестное:
Коэффициент теплопередачи рассчитывается по общеизвестным формулам.
Коэффициент теплоотдачи путем конвекции определяется также по известным формулам. Для его расчета находят критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.
Скорость продуктов сгорания [7]:
Коэффициент теплоотдачи излучением рассчитывается по известной формуле по закону Стефана-Больцмана.
По данным [7] расчет поверхности нагрева прекращается при условии невязки баланса:
В расчете котла-утилизатора находят паропроизводительность, температуру горения, коэффициент использования теплоты.
Энергетический баланс графически показывается на диаграмме потоков энергии Сенкея, графику цитируем по источнику [8]:
На диаграмме Сенкея ширина каждой полосы соответствует величине соответствующей энергии
4. Эксергетический анализ котла-утилизатора
Эксергией является максимальная работа, совершаемая системой при обратимом переходе в равновесие с окружающей средой [9]. По эксергии оценивается резервы утилизации вторичных энергоресурсов (пригодность энергии для совершения работы).
Эксергию делят на химическую и потоковую.
Химическая эксергия для газообразных углеводородов [6,7] определяется по низшей теплоте сгорания углеводородов:
Эксергия потока [6, 7], отнесенная к единице массы потока:
Баланс эксергии:
То есть состоит из химической эксергии отходящих газов, их физической эксергии, эксергии потока воздуха и эксергии питательной виды на входе в экономайзер [7]:
То есть состоит из эксергии потока перегретого пара, уходящих продуктов сгорания, продуктов неполного сгорания смеси в топке котла (эксергия химического недожога), несгоревшего топлива (эксергия физического недожога, для газообразных веществ равна нулю), потока теплоты наружу через стенки (наружное охлаждение).
Потери эксергии
складываются из потерь на необратимое горение и потерь на теплообмен.
Эксергетический КПД:
Диаграмма Грасмана-Шаргута показывает результаты эксергетического анализа. Графику диаграммы приводим по данным [7]:
Потоки эксергии показываются в виде полос, ширина которых соответствует процентному соотношению. Разность полос показывает потери эксергии [8].
5. Конструкция котлов-утилизаторов
Котлом называют комплекс устройств по получению пара или горячей воды [9].
По данным [10] существует несколько распространенных схем компоновки прямоточных котлов (компоновка учитывает взаимное расположение поверхностей нагрева и газохода):
– П-образная
– двухходовая П-образная
– Т-образная
– U-образная
– с топкой с инвентором
– башенная
П-образная компоновка считается наиболее распространенной [10].
В промышленных технологиях широко применяются котлы-утилизаторы, использующие для выработки пара теплоту отходящих газов, продуктов и др. [10].
С целью утилизации теплоты отходящих газов в технологии применяют котлы двух типов [10]:
– водотрубные радиационно-конвективные для утилизации теплоты высокотемпературных газов,
– газо- и водотрубные для утилизации теплоты низкотемпературных газов.
Приведем пакетно-конвективный котел, графику цитируем по [10]:
Приведенный котел применяется на производстве сажи. Производство сажи можно отнести к процессам переработки нефтепродуктов.
Отработанные газы сжигают в топке 1. После продукты сгорания проходят испаритель 2, 4, пароперегреватель 3, воздухоподогреватель 6, экономайзер 7. Испарительные секции имеют отдельные коллекторы на входе и выходе.
Процитируем графику котла для кокса [10]:
Через кокс после печи (температура 1100°С) прокачивается холодный теплоноситель. Теплоноситель после нагрева подается в котел, в котором отдает полученное тепло и затем снова поступает на охлаждение кокса.