Курсовая работа: Термодинамический анализ эффективности агрегатов энерготехнологических систем
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 , H2 S, CH4 и другие) взаимодействуют с окислителем – кислородом воздуха, и образуют окислы CO2 , SO2 , H2 O 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: