Термохимический расчет процессов горения в котлах - утилизаторах

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Теплотехника и гидравлика»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Вариант № 13

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент гр. ТВБ-89

Сорокина М. В.

Проверил:

Горюнов В.А.

 

 

 

 

ВОЛГОГРАД 2011

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Исходные данные………………………………………………………3
2. Часть 1. Термохимический расчет процессов горения в котлах- 

- утилизаторах  ……………………………………………………….....4                       

3. Часть 2. Тепловой баланс и тепловой КПД котла-утилизатора…8
4. Часть 3. Паропроизводительность котла……………………….....10
5. Часть 5. Определение необходимой высоты дымовой трубы…..11
6. Часть 6. Расчет экономии топлива…………………………………13

     7. Результаты расчетов…………………………………………………..14

                                                         

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

Таблица 1

 

 

Вари- ант	Типо- размер котла ПКК	Параметры котла			Данные к  расчету котла
		D т/ч	P МПа	Tпп С ۟	Вог  м3/с	x	q x %	q но %	λ
13	75/2,4- 150-5	75	2,4	З70	12,5	0,04	1,1	0,8	1,28

 

Таблица 2

Характеристики  отходящих газов сажевого производства

 

 

Вари- ант	Объемный состав сухой массы отходящих газов %							W %	tог с
	СО2	СО	Н2S	Н2	СН4	О2	N2
13	3,7	16,35	12,04	0,36	0,17	0,33	67,05	33,5	179

 

Таблица 3

 

Теплота сгорания, расход воздуха на горение и объемы продуктов сгорания природных газообразных топлив

 

 

Вари- ант	Газопровод	Qн(пг)	Vв(пг)	VRO2(пг)	VN2(пг)	VН2О(пг)
		кДж/м3	м3/м3	м3/м3	м3/м3	м3/м3
13	Кулешовка-Самара	41770	10,99	1,26	8,82	2,28

 

 

Таблица 4

 

Интерполяционные  формулы для средних объемных теплоемкостей газов

 

 

газ	Cpmj= ai+bi  кДж/(м3К)
воздух	CpmB=  1,287+1,201∙10(-4)∙t
_Н2	CpmH2=1,28+5,23∙10(-5)∙t
N2	CpmN2=1,306+1,107∙10(-4)∙t
O2	CpmO2=1,313+1,577∙10(-4)∙t
CO	CpmCO=1,291+1,21∙10(-4)∙t
CO2	CpmCO2=1,7132+4,723∙10(-4)∙t
H2O	CpmH2O=1,473+2,498∙10(-4)∙t
CH4	CpmCH4=1,5491+1,181∙10(-3)∙t
H2S	CpmH2S=1.5072+3,266∙10(-4)∙t

 

Часть 1.

Термохимический расчет процессов горения в котлах-утилизаторах

 

 

 

 

 1.1 Находим теоретический объем воздуха для сжигания отходящих газов

 

Vв(ог)=0,0476∙[0,5СО+0.5Н2+1,5Н2S+(m+0,25n)∙CmHn-O2]  м3/м3

 

Vв(ог)=0,0476∙ [0,5∙16,35+0,5∙12,04+1,5∙0,36+(1+0,25∙4)∙0,17-0,33]=0,7 м3/м3

 

 

 

 1.2 Находим теоретически необходимый объем воздуха для полного сжигания 1 м3 смеси ОГ с  ПГ

 

Vв= (1-x)∙Vв(ог)+x∙Vв(пг)   м3/м3

 

Vв=(1-0,04)∙0,7+0,04∙10,99=1,1 м3/м3

 

 

 

 

 1.3 Находим объем сухих трехатомных газов

 

VRO2=0,01(1-x)(CO2+CO+H2S=∑mCmHn)+xVRO2(пг)    м3/м3

 

VRO2=0,01(1-0,04)(3,7+16,35+0,36+0,17)+0,04∙ 1,26=0,25  м3/м3

 

 

 

 

 1.4 Находим теоретический объем азота

 

    VN2=0,79(Vв-x∙Vв(пг))+0,01(1-х)∙N2(ог) +x∙VN2(пг)   м3/ м3

 

    VN2=0,79(1,1-0,04∙ 10,99)+(1-0,04)∙67,05+0,04∙8,82=1,5   м3/м3

 

 

 

1.5 Находим влагосодержание отходящих газов

 

    dог=1000(W∕ 100-W)ρH2O  г/м3

 

    dог=1000(33, 5∕ 100-33, 5)∙0,804=405 г/м3

 

1.6 Находим объем водяного пара, вносимого в топку отходящими газами и получающегося при их сгорании

 

 

      VH2O(or) =0, 01(H2S+H2+∑0, 5CmHn+0,124dor)   м3/м3

 

     VH2O(or) =0, 02(0, 36+12,04+0,17+0,124∙405)=0,63 м3/м3

 

 

 

 

1.7 Находим суммарный объем водяного пара в продуктах сгорания

 

     

       VH2O=(1-х) VH2O(or)+ x V H2O(пг)+0,0161∙λ∙Vв  м3/м3

 

 

              VH2O=(1-0,04)∙ 0,63+0,04 ∙2,28+0,0161∙ 1,28 1,1=0,72 м3/м3

 

 

 

 

1.8 Находим объем избыточного воздуха

 

 

       ΔVв= (λ-1) Vв   м3/м3

 

       ΔVв= (1, 28-1) 1, 1=0, 31  м3/м3

 

       

 

 

1.9 Находим объем продуктов сгорания

 

 

       Vпс=  VRO2+VN2+VH2O+ΔVВ   м3/м3

 

       Vпс=0, 25+0, 72+0, 31+1, 5=2, 8 м3/м3

 

 

 

1.10 Находим А, В

 

 

А =∑аi∙Vi            B=∑bi∙Vi  

 

A=CO2ai+N2ai+H2Oai+Vваi=0, 25 ∙1, 7132+1, 5∙ 1,306+0, 72∙ 1,473+0,312 ∙1,287=3, 9 

 

 

B=(0,25 ∙4,723 ∙10 (-4) + 1,5 ∙1,107∙  10 (-4)+0,72∙ 2,498 ∙10 (-4)+0,312∙ 1,201∙ 10 (-4)=5,015∙ 10(-4)       

 

 

 

 

 

1.11 Находим энтальпию отходящих газов

 

 

Hог= [∑ (ai+bi t) ∙ (ri∕ 100) + (W ∕ (100-W)) ∙ (aH2O+bH2O∙ t)] ∙ t   кДж /м3

 

Hог =((1,28+5,23∙10(-5)179(12,04/100))+ (1,306+1,107∙10(-4)179(67,05/100))+( 1,313+1,577∙10(-4)∙179(0,33/100)+( 1,291+1,21∙10(-4)∙179(16,33/100)+( 1,7132+4,723∙10(-4)∙179(p,7/100)+( 1,5491+1,181∙10(-3)∙179(0,17/100)+( 1.5072+3,266∙10(-4)∙179(0,36/100))+((33,5/(100-33,5))( 1,473+2,498∙10(-4)∙179))∙179=394    кДж /м3

 

 

 

1.12 Находим низшую теплоту сгорания сухой смеси ОГ с ПГ

 

Qн=0, 01(1-x)(12636 CO+10798 H2+23400 H2S+35820 CH4+59066 C2H4+63746 C2H6+…)(or)+xQ∙н(пг)    кДж/ м3

 

 

кДж/ м3 0,01(1-0,04) (12636 ∙16,35+10798 ∙12,04+23400 ∙0,36+35820∙ 0,17) +0,04 ∙41770=5042   кДж/ м3

 

 

 

 

 

1.13 Находим теплоту, вносимую смесью ОГ с ПГ

 

 

Qф= (1-x) ∙Н(or)         кДж/ м3

 

Qф= (1-0, 04) ∙394=378     кДж/ м3

 

 

 

1.14 Находим энтальпию действительного количества воздуха при сгорании 1 м3 смеси с ПГ

 

 

Нв=Qв=λ∙Vв(1,287+1,201 ∙10(-4) ∙t)∙t      кДж/ м3

 

 

Нв=Qв=1,28∙1,1∙(1,287+1,201 ∙10(-4) ∙280)280=521    кДж/ м3

 

 

 

1.15 Находим энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки

 

Hпс=Qн∙ (100-qx)/100+ Qф+ Qв    кДж/ м3

 

 

Hпс=5042((100-1, 1)/100)+378+521=5886  кДж/ м3

 

 

 

 

 

1.16 Находим температуру продуктов сгорания на выходе из топки

 

 

tλ-= ((√A2+4B ∙ Hпс)-A)/2B    •c

 

 

tλ-= ((√3, 9+4∙ 5,015∙ 5886)-3,9)/ 2∙ 5,015∙ 10(-4)=1297   •c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 2.

Тепловой баланс и тепловой КПД котла-утилизатора.

 

 

 

2.1 Находим энтальпию действительного количества воздуха при сгорании 1 м3 смеси ОГ с ПГ

 

Нв вх= λ∙Vв(1,287+1,201 ∙10(-4) ∙t)∙t      кДж/ м3

t =80

Нв о= λ∙Vв(1,287+1,201 ∙10(-4) ∙t)∙t      кДж/ м3

t =30

 

 

Нв вх=1,28∙1,1∙(1,287+1,201 ∙10(-4) ∙80)80=146.049 кДж/ м3

 

Нв о=1,28∙1,1∙(1,287+1,201 ∙10(-4) ∙30)30=54.515    кДж/ м3

 

 

 

2.2 Находим Теплоту внешнего подогрева воздуха

 

Qв вх= Нв вх-Нв о кДж/ м3

 

 

Qв вх=146.049-54.515=91.534   кДж/ м3

 

 

 

 

2.3 Находим  суммарное количество теплоты,  внесенной в котел ( располагаемую  теплоту)

 

 

Qр= Qн-Qф-Qв вх   кДж/ м3

 

 

 

Qр==5042+378+91=5511,53 кДж/ м3

 

 

 

 

 

 

2.4 Находим  зависимость энтальпии продуктов  сгорания от температуры

 

Hпс=(А+В∙t)t кДж/ м3

t=180•

 

Hпс=(3,9+5,015 10(-4) 180)180=718,25 кДж/ м3

 

 

2.5 Находим  потерю теплоты с  уходящими  из котла газами

 

qуг=(Нпс-λ∙Нв о) ∙100/Qр кДж/ м3

 

 

qуг=(718,25-55)100/5511=12,0426 кДж/ м3

 

 

 

2.6 Находим  коэффициент полезного действия

 

η=100-( qуг+qx+qно)%

 

 

η=100-(12, 04+1, 1+0, 8) =86, 06%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 3.

Паропроизводительность  котла

 

3.1 Находим  потребный расход природного  газа

 

 

Впг=x/(1-x)Вог т/ч

 

Впг=0,04/(1-0,04)12,5=0,52 т/ч 

 

3.2 Находим суммарный расход смеси горючих газов

 

Вр=Вог+Впг т/ч 

 

Вр=12,5+0,52=13,02 т/ч 

 

 

3.3 Находим  паропроизводительность котла-утилизатора

 

D= (Вр∙ Qр∙η/100)/((hпп-hпв)+λпр(hкип-hпв) т/ч 

hпп  =3174     hкип=951

hпв=590        λпр=0,05

 

D= (13, 02 5511 (86, 06/100))/ ((3174-590) +0, 05(951-590)) =23, 73  т/ч              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 5.

Определение необходимой  высоты дымовой трубы

 

5.1 Находим Vso2 в расчете на 1м3 смеси отходящих газов с природным

 

 

Vso2=(1-x)H2S/100   м3/с

 

Vso2=(1-0,04)0,36/100=0,0035 м3/с

 

 

5.2 Находим  объемный выброс диоксида серы  в единицу времени

 

 

*Vso2= Vso2∙Bр   м3/с

 

 

*Vso2=0,0035 ∙13,02=0,045   м3/с

 

 

 

5.3 Находим  массовый выброс диоксида серы

 

 

m so2=((P۪ ∙*Vso2∙M so2)/Rм ∙Tпс) ∙ 1000    г/с

 

 

m so2=((100000 ∙0,045 ∙64000)/(8314 ∙453)=76,468    г/с

 

 

 

5.4 Находим  выход NO2 на 1 МДж теплоты, выделяющейся при сгорании

 

 

Kн=3,6  ∙D/(1000+3,6∙D)     г/МДж

 

 

Kн=3,6  ∙24/(1000+3,6∙24)=0,08     г/МДж

 

 

 

5.5 Находим  массовый выброс окислов азота  в г/с (в пересчете на NO2)

МNO2=β∙ Kн∙ Bр∙ Qн ∙10(-3_) г/с

 

 

МNO2=1 ∙0,08 ∙13,2∙ 5042 ∙10(-3_)=5,32    г/с

 

 

 

5.6 Находим минимально допустимую высоту трубы

 

 

Нmin=√(A∙ F∙ m∙ n ∙ (m so2+5,88 МNO2)/(ПДК so2∙√ *Vпс∙_ΔT)  м

 

Нmin=√(200 ∙ (76,47+5,88∙ 5,32)/(0,5√36,5∙ 150)=49 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 6.

Расчет экономии топлива

 

 

6.1 Находим  теплоту, вносимую подогретым  воздухом в топку ( в расчете  на 1 м3 природного газа)

 

*Qв вх=Сpmв∙λ∙V в(пг) ∙t в вх   кДж/ м3

*Qв вх=(1,287+1,201 10(-4) 80) ∙1,28∙10,99∙ 80=1459    кДж/ м3

 

 

6.2 Находим  количество природного газа, которое  потреблялось бы без использования  отходящих газов для выработки  такого же количества пара  тех же параметров, что и в  котле-утилизаторе

 

* Впг=(D((hпп-hпв)+λпр(hкип-hпв))/(*Qp ∙η/100)    т/ч 

 

* Впг=((23,73(3174-590)+0,05(951-590))/((41770+1459)86,06/100)=1,659 т/ч 

 

 

6.3 Находим  потребный расход  природного  газа ( см. пункт 3.1)

 

Впг=0,521 т/ч 

 

 

6.4 Находим  экономию топлива за счет использования отходящих газов сажевого производства в котле-утилизаторе

 

ΔB=* Впг- Впг т/ч 

 

 

ΔB=1,678-0,521=1,1572   т/ч 

 

 

6.5 Находим  экономию условного топлива ( теплота сгорания которого составляет 29300кДж/кг

 

ΔВуг=( ΔBQн(пг) 3,6)/29300    т/ч

 

ΔВуг=(1,1572 3,6 41770)/29300=5,84  т/ч

 

 

 

 

 

 

 

РЕЗУЛЬТАТЫ  РАСЧЕТОВ

 

 

 

 

 

 

 

 

Адиабатная температура	Коэффициент использования  теплоты КПД	Паропроизво- дительность котла- утилизатора	Высота дымовой трубы	Экономия условного топлива
t	η	D	Hmin	ΔВуг
Сۨ	%	т/ч	м	т/ч
1297	86,06	23,73	49	5,84