Tính toán quá trình nhiệt

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФБГОУ ВО «Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»

Кафедра Энергетики Высокотемпературных Технологий

«Тепловой расчет котельного агрегата для сжигания
твердых бытовых отходов»

Выполнила: Ламажык Чайнаш
Группа: ФП-02м-17
Проверила :СтепановаТ.А.

Москва, 2017 г.


Оглавление
1.Задание..................................................................................................................3
2.Расчетные характеристики топлива....................................................................3
3.Расчетная схема компоновки...............................................................................5
4.Расчет выхода газов и золы.................................................................................6
5. Расчет энтальпии продуктов сгорания (H-t) диаграмма..................................7
6. Тепловой баланс и расход топлива....................................................................8
7. Конструктивный расчет топки...........................................................................9
8.Расчет фестона....................................................................................................12
9.Расчет пароперегревателя..................................................................................15
10.Расчет первой ступени воздушного подогревателя.......................................19
11.Расчет водяного экономайзера.........................................................................21
Заключение.............................................................................................................25
Список литературы................................................................................................26
Приложение 1.........................................................................................................27

1.Задание
Перевести котельный агрегат БКЗ-75-39ФБ работающий на каменном
угле, на новый вид топлива, а именно на твердые бытовые отходы. Ниже
представлены основные характеристики этого котла.
Паропроизводительность котла

-

D=

75

т/ч

Давление пара

-

P=

3.9 Мп

Температура перегретого пара

-

tПП=

450

°С

Температура питательной воды

-

tПВ=

145

°С

Температура холодного воздуха

-

tХВ=

25

°С

2.Расчетные характеристики топлива
Морфологический состав и теплота сгорания ТБО, а также массовый
состав берем из учебника Б.И. Левина «Использование твердых бытовых
отходов в системах энергоснабжения» [6].
Морфологический состав,%.
Бумаг
а

Кухонные Текст
отходы
иль

30.8

39.11

Бумага
Кухонные
отходы
Текстиль
Пластмасс
а
Стекло,
металл,
камни
Дерево
Кожа,
резина
прочие

5.47

Пластмасса

Стекло, Дерев
металл, о
камни

4.6
7.42
3.3
Массовый состав [6]

Кожа, прочие
резина
1.6

7.7

С, %
27.7
12.6

Н, %
3.7
1.8

О, %
28.3
8

N, %
0.16
0.95

S, %
0.14
0.15

A, %
15
4.5

W, %
25
72

35.4
55.1

4.9
7.6

22.3
17.5

3.4
0.9

11
0.3

8
10.6

15
8

-

-

-

-

-

100

-

40.5
65

4.8
5

33.8
12.6

0.1
0.2

0.6

0.8
11.6

20
5

47

5.3

27.7

0.1

0.2

11.7

8


Рабочая масса топлива и его низшая теплота сгорания [1]
Состав

С,%

Н,%

О,%

N,%

S,%

A,%

W,%

Qн,
ккал/к
г

Кузнецкий
уголь

66.0

4.7

7.5

1.8

0.5

11.0

8.5

6240

Некоторые характеристики при разбавлении ТБО шинами и углем

Вид
топлива
Qн, кДж/кг
Vв°, м3/кг
Vro2,м3/кг
Vn2,м3/кг
Vh2o,
м3/кг
В,кг/с
Та, °С
Qт, кДж/кг
Тт, °С

ТБО

с
добавление
м шин

с 30%
добавление
м угля

с 50%
добавление
м угля

8483
2,423

0,45
1,919

12481,9
3,488
0,638
2,491

12213,6
3,376
0,62
2,675

14108,2
2,96
0,696
2,346

Чисты
й
уголь
100%
26257,
1
6,896
1,237
5,462

0,887
8,1

1038
11570
900

0,933
5,25
1330,9
15549
1050

0,878
5,37
1311,3
15282
1050

0,805
4,59
1449,7
17167
1050

0,741
2,37
2333,7
29255
1050

Теплота сгорания ТБО, МДж/кг
Бумага Кухонные Тексти

отходы
ль
9.49

3.43

15.72

Пластмасса Стекло, Дерево
металл,
камни
24.37
14.46

Кожа,
резин
а
25.8

прочи
е
18.1
4

Для последующих расчетов будут применены характеристики сжигания
ТБО с разбавление 50% каменного угля.
2.1. Расчет элементарного состава топлива [1]
С=0.308•27.7+0.391•12.6+0.0547•35.4+0.046•55.1+0.033•40.5+0.016•65+0.077•
•47=36.976 %

Н=0.308•3.7+0.391•1.8+0.0547•4.9+0.046•7.6+0.033•4.8+0.016•5+0.077•5.3=
=3.637 %
О=0.308•28.3+0.391•8+0.0547•22.3+0.046•17.5+0.033•33.8+0.016•12.6+0.077•
•27.7=14.04 %
N=0.308•0.16+0.391•0.95+0.0547•3.4+0.046•0.9+0.033•0.1+0.016•0.2+0.077•0.1
=1.041%
S=0.308•0.14+0.391•0.15+0.0547•11+0.046•0.3+0.016•0.6+0.077•0.2 = 0.662 %
A=100•0.23164= 23.164%
W=0.308•25+0.391•72+0.0547•15+0.046•55.1+0.033•8+0.016•20+0.077•8=
= 28.375%
2.2. Низшая теплота сгорания
QНР=339•23.925+1256•3.104 - 109•(17.319-0.742) - 25.14•(9•3.107 + 40.407) =
14108.199 МДж/кг
2.3. Теоретический расход воздуха на горение
V0=0.0889•(Сp+0.375•Sp)+0.265•Hp-0.0333•(Оp-Sp)=0.0889•(23.925+0.375•0.74)
+0.265•3.107-0.0333(17.319-0.742) = 2.960 м3/кг
2.4. Удельный выход сухих трехатомных газов
VRO2=0.0187•(С+0.375•Sp)=0.0187•(23.925+0.375•0.742) = 0.696 м3/кг
2.5.Удельный выход азота
VN20 =0.79∙V0+0.008∙Np=0.79∙2.423+0.008∙0.662=2.347 м3/кг
2.6.Удельный выход водяных паров
VH2O0=0.0124∙(9∙Н+W) +0.0161∙V0=0.0124(9∙3.107+40.407)+0.0161∙2.423 =
=0.805 м3/кг
Для выбора параметров сжигания топлива будем пользоваться
рекомендациями нормативного метода.
Температура газов перед фестоном: tT=1050°C.


3.Расчетная схема компоновки

Для твердых топлив с учетом значительной опасности коррозии
золоуловителей температура уходящих газов должна выбираться выше точки
росы дымовых газов на 15-20 0С.
Температура точки росы дымовых газов зависит от температуры
конденсации влаги при парциальном ее давлении в газах и приведенного
содержания серы в рабочем топливе и равна: tp = tкoн+∆tp.
Величина ∆tp в зависимости от приведенных содержаний золы и серы
топлива определяется по формуле: ∆tp =
где аун– доля золы топлива, уносимая газами.
Из расчетных характеристик топлива известно, что температура
уходящих газов составит: tУГ = 165 °С.
Температуру подогретого воздуха выбираем по таблице II-10: tГВ= 350 °С.
По таблице XVII (с. 200 [1]) выбираем коэффициент избытка воздуха на
выходе из топки: αТ=1.2
Теперь воспользуемся таблицей XVI для определения присосов воздуха в
газоходах:
Газоход
Пароперегреватель
Ступень экономайзера
Ступень воздухоподогревателя

Δα
0,03
0,02
0,03

Определим температуру насыщенных паров на выходе из барабана котла по
известному давлению пара Р=3.9 Мпа и таблицам tНП = 247°С.
4.Расчет выхода газов и золы
Расчет выхода продуктов сгорания, расхода воздуха и золы. Названия,

формулы и результаты расчетов занесены в таблицу 1.


Таблица №1.

5. Расчет энтальпии продуктов сгорания (H-t) диаграмма
В данном пункте воспользуемся таблицей XIV из [1], в которой приведены
энтальпии воздуха и ПГ при α=1 в зависимости от температуры.
Таблица №2.


6. Тепловой баланс и расход топлива
Таблица №3


7. Конструктивный расчет топки
Поверхность стен топочной камеры [4]:
- боковая стена:
F1 = (6.0+2.87)*1.43/2 = 6.34 м2


F2 = 6.0*7.83 = 46.9 м2
F3 = (6.0+5.09)*1.17/2 = 6.48 м2
F4 = (5.09+4.3)/2 = 4.69 м2
F5 = (4.3+1.89)/2 = 3.095 м2
-площадь боковой стенки:
Fст.б.=F1+F2+F3+F4+F5=6.34+46.9+6.48+4.69+3.095=67.5 м2
- площадь фронтальной стены (с потолком):
Fст.фр.=6.83*(4.3+8.06+1.82+1.43)=106.62 м2
- площадь задней стены:

Fст.зд.=6.83*1.5+7.83+1.82+1.43)=85.99 м2
- площадь прохода для фестона:
Fф=6.83*2.97=20.28 м2
- суммарная поверхность стен топочной камеры :
Fст.=2*67.5+106.62+85.99+20.28 =347.89 м2
- поверхность стен, занятая горелками:

и
Таким образом: F=4.84 м2
- поверхность стен топки, закрытая экранами:
Fпл=Fст-Fф-Fгор=347.89-20.28-4.83=322.78 м2
- лучевоспринимающая поверхность топки:
Общую поверхность топки можно разделить на стены с натрубной и
накаркасной обмуровкой FНК=264.63 м2
Отношение шага труб экранов к их диаметру равно: S/D=90/76
Выберем по номограмме 1 [1] значения угловых коэффициентов для этих
двух стен.

0.96

Cреднее значение углового коэффициента: Xср=Xнк=0.96
Лучевоспринимающая поверхность экранов:
Нлэ=Xср*Fпл=0.96*264.63=254.05 м2


Суммарная лучевоспринимающая поверхность топки:
Нл=Hлэ+Xф*Fф = 274.33 м2
Степень экранирования: Xэк=Нл/Fст=0.789
Объем топочной камеры: Vт=Fст.б.*b=67.5*6.83=461.03 м2
Таблица №4. Тепловой расчет топки

Коэффициент

загрязнения

для

топки

до

реконструкции

(располагаемый) возьмем из таблицы 6-2 [1] : ξ=0.45 .
Определим располагаемую величину лучевоспринимающей поверхности:
м2
(ξHЛ)Р=ξχэкFСТ=0,65·0,9037*193,1=
150,29
Требуемое в связи с реконструкцией значение лучевоспринимающей

поверхности топки определим из решения системы двух уравнений [3]:


(1)
(2)

(ξHЛ)ТР=ψСР·FСТ=ψСР·142,5
Теперь решим уравнения 1 и 2 для трех приведенных выше

коэффициентов тепловой эффективности ψСР:
ψСР

0,2

0,3

0,4

149,92

153,63

157,34

39,42

59,13

78,84

(ξHЛ)ТР
по
(1)

(ξHЛ)ТР
по
(2)

Из графического решения (ξHЛ)ТР= 149 м2, ΨСР= 0.73

8.Расчет фестона
Геометрические характеристики фестона определяются по чертежам [3]:

Lср= 2
391
Lго= 3

3913

352

3522

Исходные геометрические параметры фестона:
- расположение труб : шахматное;
- шаги труб :

по ходу газов в глубину - число рядов по ходу газов :
- число труб в одном ряду :

- диаметр труб :
d= 60
Поверхность нагрева фестона:

S2= 340
S1= 300
z2= 3
z1= 25

мм.

мм.

(60*3мм.)

Hф= п•d•lср•z1•z2=3.14×0.06×3.5×25×3=52.3 м2
Относительные шаги труб:
1=S1/d=340/60= 5 2=S2/d=300/60= 5,67
Сечение для прохода газов:


F=lгоb-z1lгоd=3.91*6.83-25·3.91·0.06=10.30 м2
Эффективная толщина излучающего слоя в м:

Тепловой расчет фестона для данной задачи будет заключаться в
определении температуры газов за фестоном и тепловосприятия фестона. Т.о.
Этот расчет является поверочным в отличие от расчета топки. Температура
газов за фестоном и тепловосприятие будут определяться из совместного
решения

уравнения

теплового

баланса

и

Зависимость тепловосприятия по балансу

и

уравнения
по

теплопередачи.

теплообмену

будем

приближенно считать линейной температуры газов за фестоном [3].

Таблица №5. Тепловой расчет фестона



После проведения графической интерполяции было выяснено:
- тепловосприятие фестона Qб=Qт=717.4 КДж/кг;
- температура газов за фестоном t”г=876.1 °С;
- по I-h-таблице I"= 8794.26 кДж/кг.
9.Расчет пароперегревателя
Геометрические характеристики ПП определяются по чертежам.
Пароперегреватель состоит из 2 последовательно (по газам) расположенных
ступеней и имеет сложную схему парового потока. Насыщенный пар по
потолочным трубам поступает в змеевики первой ступени пароперегревателя
(ПП1), являющиеся продолжением потолочных труб. Расположение труб
коридорное. Шаг по ширине S1=90 мм, шаг по глубине S2=98.
Пароохладитель разделяет ПП1 на две части: предшествующую с
прямоточной схемой движения теплоносителей и последующую с
последовательно смешанным током [3].

L =2*(3.325+3.025)+3*3.14*0.150=24.113 м.
H1=3.14*0.042*24.113*32=101.76 м2.
Полная поверхность змеевиков ПП II: HII=243.72 м2.
Сечение для прохода газов в разреженной части ПП II:
F1=(3.8+3.275)*5.115/2-60*0.038*((3.325+3.075)/2+0.075)=10.63 м2
Шаг труб по ширине
котла:
-разреженной по ширине части
Продольный шаг:

S1p=90 мм;


-разреженной части
S2p=98 мм;
ПП1 имеет потолочные трубы , переходящие в змеевики, длиной:
L1=1.75*15+3.14*0.075*14+1.5=31.047 м.
Поверхность петель потолочных труб:
Н1=3.14*0.038*31.047*15=55.57м2.
Поверхность нагрева потолочных туб:
Нпот=0.038*3.14*6.2*15/2=5.55 м2
Длина змеевиков после пароохладителя:
L2 =1.7*20+3.14*0.75*14+2=39.3 м
Поверхность нагрева после пароохладителя:
Н2=3.14*0.38*39.3*23=107.85 м2
Полная поверхность нагрева ступени:
НI= Н1 + Нпот + Н2 =55.57+5.55+107.85=168.97 м2
Сечение для прохода газов: F1=4.4*2.15-23*0.38*2.1=7.625 м2
Конструктивные характеристики пароперегревателя в целом
Расчетная поверхность нагрева второй по пару ступени НпеII=243.72 м2.

Расчетная поверхность нагрева первой по пару ступени НпеI=168.97м2.
Расчетная
поверхность
Нпе=243.72+168.97=412.69 м2.

нагрева

всего

пароперегревателя

Среднее сечение для прохода газов в НппII: Fср2=10.63 м2.
Среднее сечение для прохода газов в НппI:
Fср1 =(43,14+90,07)/(43,14/7,625+90,07/10.91)= 9.6 м2.
Среднее сечение для прохода газов во всем пароперегревателе:
Fср =(98,72+133,21)/(98,72/10,63+133,21/9,57)=10 м2.
Средние шаги труб в газоходе для ПП II: S2ср=120мм, S1ср=95 мм.
Расчетные шаги труб для всего пароперегревателя в целом:


S1 ср 

 S 1 cp H   S 1 H
H  H

S2 ср 

 S 2 cp H  S2 H
H  H

S1= (120*243.72+90*168.97)/412.69=107.66 мм
S2= (140*243.72+95*168.97)/412.69=121.5 мм
Эффективная толщина излучающего слоя в пределах ПП^
 4 S1 S 2

s  0.9 d 



2

 d



 1



S= 0.9*0.04*(4*0.1077*0.1215/(3.14*0.04*0.04)-1)=0.2236 м
Сечение для прохода пара:

f cp 

H1  H2
H

�f

Fср = 267.69/(168.97/0.068+55.57/0.034)=0.065

Первая ступень ПП имеет последовательно смешанный ток теплоносителей.
Таблица №6. Тепловой расчет ПП



Температура газов за пароперегревателем составляет: при

Qб=1410

кДж/кг, t"=668 0С, Н'=6602.68кДж/кг.
Температура пара после пароперегревателя составляет: t"=227 0С, Н'=1080.06
кДж/кг.
10.Расчет первой ступени воздушного подогревателя
Ступень имеет пятиходовой ход по воздуху. Диаметр труб 40х1.5 мм.
Расположение труб шахматное. Состоит воздухоподогреватель

одной

части. Эта часть состоит из 2 секций. Воздухоподогреватель имеет S 1=56 мм,
S2=44 мм. Количество труб z н=2(32*16+31*15)=1954 при омываемой высоте
труб lн=4.8125м.
Поверхность нагрева: Н=3.14*0.0385(1954*4.8125)=978.63 м2
Сечение для прохода газов: F=0.785*0.037*0.037*1954=2.1м2
Сечение для прохода воздуха : f=(1.92*2-0.04*64)*1.650=2.11 м2


Затем

определяем

температуру

газов

на

входе

в

первую

ступень

воздухоподогревателя.
Таблица №7. Тепловой расчет воздушного подогревателя


Расхождение между ωв и ωвl равно<20%,поэтому расчет заканчивается [5].
11.Расчет водяного экономайзера
Диаметр труб 32х3.0. Расположение труб шахматное.
S1=60 мм S2=40 мм; l=100*2*15=3000 м


Общая поверхность ступени: Н=3.14*0.032*3000=301.44 м2
Расчетная поверхность нагрева: Нр=301.44 м2
Расчетное сечение для прохода газов: F=1.6*4.105-4.105*0.032*30=2.627 м2
Шаги труб: σ1=S 1/d=60/32=1.875; σ2=S2 /d=40/32=1.25
Число рядов по ходу газов - 32.
Эффективная толщина излучающего слоя:

S=0.9*(4*S1S2-1) =0.9*0.032*(1.274*1.25*1.875-1)=0.06 м
Сечение для прохода воды (по 70 параллельно включенным змеевикам):
f =60*0.785*0.026*0.026=0.03184 м2 .
Таблице №8.Тепловой расчет экономайзера



В результате графической интерполяции находим, что Qт=Qб=790.3 кДж/кг
при температуре газов на входе в ступень t'г=690 оС .

12.Сводная таблица результатов теплового расчета
Реконструкция котельного агрегата БКЗ-75-39ФБ, D=20.8 кг/с; Рпп=3.9
МПа; В=7.86 кг/с.
Топливо: твердые бытовые отходы

с разбавленным каменным углем с

Наименование
Температура газов
на входе
То же на выходе
Тепловосприятие

измерениЕд.
я

Qрн=14108.2 кДж/кг.

о

С

о

С
кДж/к
г

Температура теплоно
сителя на входе

о

То же на выходе
Скорость газов(сред
няя)
Скорость пара, воды

о

Коэф.теплопередачи

С

С
м/с
м/с
Вт/м2
К

Поверхность нагрева м2

Наименование газоходов
фес- ППII ППI
ВЭI

ВПII

ВПI

тон
1050

942

685

376

492

303

942

685

492

303

1058
253,
4

2854

2379

165
1301,7
8
30

342,6

253,6

880
164,
7

376
1541,
5

350
9,41

9,64

204

253,
4
4,53

450
5,06

342,1
5,06

201,
1
9,41

-

10,6

10,6

-

5,2

4,9

92,3

301,
8

13,66
978,6
3

20.47
349,10

70,3
52,3

51,3
51,3
243,7 168,9
2
7

204