Расчет установок для утилизации тепла дымовых газов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
*
*
*
Кафедра «Теории и автоматизации металлургических процессов и печей»
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ:
Расчет установок для утилизации тепла дымовых газов
промышленных печей
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
к выполнению практических занятий, самостоятельной работы,
курсового и дипломного проектирования для студентов,
обучающихся по направлению подготовки 150400.62 – «Металлургия»,
профиль «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»
Составитель: Герасименко Т. Е.
Допущено
редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета).
Протокол заседания РИСа № 3 от 11.04.2014 г.
ВЛАДИКАВКАЗ 2014
–1–
УДК 621.565.94
ББК 33.33
Г37
Рецензент: доктор технических наук,
профессор Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета)
Рутковский А. Л.
Г37
Теплоэнергетическое оборудование и энергоснабжение: Расчет
установок для утилизации тепла дымовых газов промышленных
печей: Методическое пособие к выполнению практических занятий,
самостоятельной работы, курсового и дипломного проектирования для
студентов, обучающихся по направлению подготовки 150400.62 –
«Металлургия», профиль «Теплофизика, автоматизация и экология
промышленных печей» / Сост. Т. Е. Герасименко; Северо-Кавказский
горно-металлургический институт (государственный технологический
университет. – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек»,
2014. – 42 с.
Методическое пособие предназначено для студентов металлургических специальностей технических ВУЗов для закрепления теоретических знаний по дисциплинам
теплотехнического цикла, а именно «Теплоэнергетическое оборудование и энергоснабжение», «Металлургическая теплотехника», «Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей». В пособии кратко изложены теоретические сведения
об утилизационных установках и подробно о котлах-утилизаторах для охлаждения дымовых газов промышленных печей, а также приведена методика и пример расчета конструктивных и теплотехнических параметров котлов-утилизаторов. Методическое пособие поможет студентам приобрести навыки расчета и проектирования теплоутилизационных установок для металлургического производства.
УДК 621.565.94
ББК 33.33
Компьютерная верстка Меркушевой О. А.
© Составление. ФГБОУ ВПО СКГМИ (ГТУ), 2014
© Герасименко Т. Е., составление 2014
Подписано в печать 20.08.14. Формат бумаги 60841/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс».
Печать на ризографе. Усл. п. л. 2,44. Уч.-изд. п. л. 1,53. Тираж 30 экз. Заказ №
.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический
университет). Изд-во «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
–2–
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ……………………………………………………………
4
Раздел 1. Теоретические основы………………………………...
1.1. Краткие сведения о процессе утилизации тепла….
1.2. Характеристика котлов-утилизаторов…………….
5
5
5
Раздел 2. Методика расчета котла-утилизатора………………
2.1. Расчет энтальпии газов и параметров пара и воды
2.2. Расчет предвключенного испарительного пакета..
2.3. Расчет пароперегревателя, испарительного пакета
и водяного экономайзера………………………….
2.4. Расчет паропроизводительности котла……………
8
8
9
13
13
Раздел 3. Пример расчета котла-утилизатора…………………
3.1. Расчет энтальпии газов и параметров пара и воды
3.2. Расчет предвключенного испарительного пакета
3.3. Расчет пароперегревателя, испарительного пакета
и водяного экономайзера………………………….
3.3.1. Расчет пароперегревателя…………………...
3.3.2. Расчет испарительного пакета………………
3.3.3. Расчет водяного экономайзера………………
3.4. Расчет паропроизводительности котла……………
14
14
15
Раздел 4. Варианты задания……………………………………..
27
Литература…………………………………………………………..
28
18
18
21
23
26
Приложения…………………………………………………………. 29
–3–
ВВЕДЕНИЕ
Газы металлургических печей имеют температуру 500–1800 °С.
Уходящие газы металлургических печей по возможности утилизации
самые ценные тепловые вторичные энергоресурсы (ВЭР). Тепло
уходящих газов может использоваться для нагрева шихты, воздуха,
топлива, для получения пара и электроэнергии. Большинство печей
оборудовано теплоутилизационными установками: рекуператорами,
котлами-утилизаторами и другими устройствами. Наибольшее распространение в качестве утилизационных установок в цветной металлургии получили котлы-утилизаторы (КУ) для производства пара.
Охлаждение высокотемпературных технологических газов также
необходимо и для обеспечения надежной работы газоочистного оборудования. Кроме того, температура, до которой требуется охладить
уходящие газы, лимитируется точкой росы во избежание коррозии
металлических поверхностей газоходов и очистного оборудования.
В связи с этим правильный выбор и расчет КУ влияет не только
на технологические параметры, но и на экономические и экологические показатели. Выбор типа и проект установки КУ необходимо
производить с учетом физико-химических свойств отходящих газов
конкретного металлургического агрегата.
Целью выполнения данного расчета является закрепление и
углубление полученных теоретических знаний по курсам теплотехнического цикла при практическом самостоятельном решении конкретной инженерной задачи, а именно приобретение навыков проектирования теплоутилизационных установок для металлургического
производства, а также определение количества теплоты, переданной
в КУ и его паропроизводительности.
–4–
Раздел 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
1.1. Краткие сведения о процессе утилизации тепла
За счет использования тепловых ВЭР возможно экономить до 15 %
привозного топлива (природного газа, мазута, угля). Количество тепловой энергии, выработанной за счет утилизации ВЭР, в общем балансе потребления металлургических заводов составляет 30 %, а на
некоторых заводах достигает 70 %. Однако значительный выход ВЭР
в технологических процессов не является достоинством этих процессов. Рационально построенная энергетика технологии должна обеспечивать максимальное использование тепла в рабочем процессе с
минимальными тепловыми и другими отходами, что, в конечном
счете, должно создавать безотходную технологию.
Потери тепла с уходящими газами составляют 30–40 %, а в ряде
случаев доходят до 60–70 % от всего тепла, выделяемого при сжигании топлива в печах. Уходящие газы металлургических печей – ценнейший теплоноситель, обладающий всеми основными признаками,
при которых их использование технически возможно и экономически
целесообразно, а именно: непрерывностью поступления, высоким
температурным потенциалом и количественной концентрированностью. Тепло уходящих газов можно использовать для производства
пара, горячей воды, выработки электроэнергии и т. п. Таким образом,
утилизированное тепло приводит к экономии топлива в целом.
Наибольшее распространение в качестве утилизационных установок в цветной металлургии получили котлы-утилизаторы (КУ) для
производства пара. Так как пар, полученный в КУ, может быть использован не только для технологических нужд, но и для получения
электроэнергии, что является весьма актуальным для любого металлургического производства. Кроме того, установка КУ позволяет
осуществить значительно более глубокое охлаждение газов, чем в
рекуператорах или регенераторах.
1.2. Характеристика котлов-утилизаторов
КУ предназначены для получения бестопливного пара за счет использования тепла уходящих газов технологических агрегатов. Различают КУ радиационного, радиационно-конвективного и конвективного
–5–
Рис. 1. Схема котла-утилизатора с принудительной циркуляцией:
1 – барабан-сепаратор; 2 – испарительные секции; 3 – пароперегреватель;
4 – водяной экономайзер.
Рис. 2. Схема изменения параметров дымовых газов, воды и пара
в котле-утилизаторе.
–6–
типов. Котлы первых двух типов применяют в производстве, где
температура газов выше 1000 °С. Наибольшее распространение в металлургии получили КУ конвективного типа. Эти котлы предназначены для использования газов с температурой 600–850 °С. Марки
этих котлов состоят из буквенной и цифровой частей, например КУ-40,
КУ-60 и т. д. При этом число в марке обозначает объем уходящих
газов печи (тыс. м3/ч), предназначенных для утилизации их тепла.
По принципу движения газов и компоновке поверхностей нагрева и газового тракта различают газотрубные и водотрубные КУ. Основная особенность газотрубных КУ заключается в движении газов
внутри труб, образующих поверхности нагрева котла. Практика работы газотрубных котлов показала их низкие эксплуатационные характеристики, вытекающие из особенностей отходящих газов цветной металлургии. В связи с этим в цветной металлургии применяют
в основном водотрубные КУ. В водотрубных котлах-утилизаторах
внутри труб циркулирует испаряемая вода, а газы обтекают трубы
снаружи.
Основными элементами КУ являются барабан-сепаратор, испарительная поверхность нагрева, пароперегреватель и водяной экономайзер. В отдельных случаях могут отсутствовать пароперегреватель
или водяной экономайзер, или оба вместе. Принципиальная схема
котла-утилизатора представлена на рис. 1.
Различные конструкции КУ и их технические характеристики
приведены в [1, 2]. КУ выбирают по каталогам по расходу и температуре отходящих газов (см. Приложение 1).
Для определения паропроизводительности и температуры перегретого пара в заданных конкретных условиях выполняют поверочный расчет котла, в котором в качестве исходных данных принимают геометрические характеристики котла и давление пара, а также
параметры дымовых газов перед котлом. Изменение параметров дымовых газов, воды и пара в котле можно представить схемой, изображенной на рис. 2.
–7–
Раздел 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
2.1. Расчет энтальпии газов и параметров пара и воды
1. Объёмная теплоёмкость газов рассчитывается как теплоёмкость смеси газов по формуле:
c p   c pi аi , кДж/(м3град),
(2.1)
где сp,i – объёмные теплоёмкости компонентов смеси при постоянном давлении при температуре газов, кДж/(м3град) (Приложение 2);
аi – объёмные доли компонентов смеси, доли ед.
2. Энтальпия газов:
iг  сp tг , кДж/м3.
(2.2)
3. По значениям энтальпий на входе и на выходе из КУ строят
график зависимости изменения энтальпии газов в газоходах котла от
температуры i = f(t), принимая, что зависимость iг от tг почти линейная. При дальнейшем расчете, определив из уравнения теплового
баланса энтальпию газов в том или ином газоходе, по i–t-диаграмме
определяют температуру газов.
4. По i–s-диаграмме (приложение 3) при заданных значениях
температуры tпп и давлении рпп перегретого пара, при условии, что
степень сухости пара, выходящего из барабана, х=1 определяют:
– энтальпию перегретого пара iпп;
– температуру пара в барабане t";
– энтальпию пара в барабане i".
5. Давление пара в барабане:
Рб = Рпп + Р, МПа,
(2.3)
где Р – гидравлическое сопротивление пароперегревателя Р  0,1Рпп.
6. По таблице зависимости параметров сухого насыщенного пара
и воды на кривой насыщения от давления пара (приложение 4)
[3] определяют энтальпию кипящей воды в барабане i'.
–8–
7. Энтальпия питательной воды с достаточной для практических
расчетов точностью может быть рассчитана (при давлениях до
15 МПа) по формуле:
iпв = 4,19 tпв, кДж/кг.
(2.4)
8. Секундный расход дымовых газов:
V0 c 
V0
, м3/с.
3600
(2.5)
2.2. Расчет предвключенного испарительного пакета
1. Принимают температуру газов за секцией:
t'г.пп = t'г – (5060) С.
2. Среднелогарифмический температурный напор:
tг.1исп.п 
  t 
tг  t   tг.пп
, С.
ln
tг  t 
  t 
tг.пп
(2.6)
3. Средняя температура дымовых газов в зоне расположения
предвключенного испарительного пакета:
ср
 ) / 2 , С.
tг.1исп.п
 (tг  tг.пп
(2.7)
4. Расход дымовых газов при рабочих условиях в зоне расположения предвключенного испарительного пакета:
Vг.1исп.п  V0c
ср
tг.1исп.п
 273 3
, м /с.
273
(2.8)
5. Средняя скорость движения дымовых газов в предвключенном
испарительном пакете:
г.1исп.п 
Vг.1исп.п
, м/с,
fг
(2.9)
где fг – площадь живого сечения для прохода газов, м2, определяемая
по конструктивным характеристикам (см. приложение 5).
–9–
6. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к
пучку труб предвключенного испарительного пакета:
 к   нСzCsCф , Вт/(м2К),
(2.10)
где н, Сz, Cs, Cф – параметры, зависящие от условий теплообмена и определяемые по номограммам (приложение 6) [4] в зависимости от расположения труб в пучке (коридорному, шахматному) и
направления движения дымовых газов вокруг них (поперечное, продольное). Причем н определяют в зависимости от скорости движения газов г.1исп.п и наружного диаметра труб dн. Сz в зависимости от
количества рядов по ходу газов z2 и отношения шага труб по ширине
s
s1 к наружному диаметру труб dн, т. е. 1   1 , Cs – в зависимости от
dн
количества рядов по ходу газов z2 и отношения шага труб по глубине
s
s2 к наружному диаметру труб dн, т. е. 2   2 , Сф в зависимости от
dн
ср
средней температуры дымовых газов t1исп.п
и содержания в них водя-
ных паров rH 2 O .
7. Эффективная толщина излучающего газового слоя.
s s
Если 1 2  7 , то эффективную толщину излучающего газовоdн
го слоя рассчитывают по следующей формуле:

 d
s s
lэф  1,87 1 2  4,1 н , м.
dн

 1000
(2.11а)
s1  s2
 7 , то эффективную толщину излучающего газовоdн
го слоя рассчитывают по следующей формуле:
Если

 d
s s
lэф   2,87 1 2  10,6  н , м.
dн

 1000
– 10 –
(2.11б)
8. Парциальное давление компонентов дымовых газов:
pCO 2  CO2 / 100 атм,
(2.12)
и так далее для всех компонентов.
9. Определяют произведение парциального давления излучающих составляющих на эффективную толщину излучающего газового
слоя pCO 2 lэф и pН 2 Оlэф .
10. Степень черноты дымовых газов:
ε г  ε СО 2  βε Н 2 О ,
(2.13)
где ε СО 2 и ε Н 2 О – степень черноты CO2 и Н2О в зависимости от темср
пературы tг.1исп.п
, парциального давления этих газов pCO 2 и pН 2 О и эф-
фективной толщины излучающего слоя газа lэф , значения которых
приведены в справочной литературе [5, 6] (см. Приложение 7). Причем, для водяного пара влияние парциального давления несколько
сильнее, чем влияние эффективной толщины излучающего газового
слоя, поэтому его степень черноты необходимо умножить на поправочный коэффициент  (см. Приложение 7).
11. Эффективная степень черноты:
ε ст.эф  1  ε ст /2 ,
(2.14)
где ст – степень черноты стенок труб в котлах-утилизаторах, которая
колеблется в зависимости от запыленности газового потока и характеристики пыли и обычно составляет 0,75–0,85.
12. Коэффициент теплоотдачи излучением:
α изл
4
ср 4 
  Т ср

ст  Т ст 
г.1исп.п
  ε г 
 
с0ε ст.эф ε г 
  100 
 100  

, Вт/(м2С),
ср
Т г.1исп.п
 Т стср
(2.15)
где с0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный
ст
5,67 Вт/(м2·К4); ε г – степень черноты дымовых газов, взятая при
– 11 –
температуре стенки tстср , которая принимается равной температуре
пароводяной смеси t".
13. Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к
трубам:
αΣ  αк  αизл , Вт/(м2С).
(2.16)
14. Коэффициент теплопередачи:
k
1
1
ε
αΣ
, Вт/(м2С).
(2.17)
где  – тепловое сопротивление отложений на трубах, равное
0,005–0,01 (м2С)/Вт.
15. Количество тепла, отданное дымовыми газами в предвключенном испарительном пакете:
Q1исп.п 
kF1исп.п Δtг.1исп.п
, кВт.
1000
(2.18)
где F1исп.п – поверхность нагрева предвключенного испарительного
пакета, м2 (см. приложение 1).
16. Энтальпия дымовых газов на выходе из предвключенного
испарительного пакета:
  iг 
iг.пп
Q1исп.п
, кДж/м3.
V0сξ
(2.19)
где  – коэффициент сохранения тепла, равный 0,90–0,95.
17. По i–t-диаграмме определяют температуру дымовых газов на
 .
выходе из предвключенного испарительного пакета tг.пп
18. Погрешность между принятой и полученной температурами
дымовых газов:
Δ
 (принятая)  tг.пп
 (полученная)
tг.пп
 100 % .
 (принятая)
tг.пп
(2.20)
Если полученная температура отличается от принятой более чем
на 5 %, то производят перерасчет по полученной температуре.
– 12 –
2.3. Расчет пароперегревателя, испарительного пакета
и водяного экономайзера
Расчет остальных элементов поверхности нагрева производится
аналогично расчету предвключенного испарительного пакета отдельно по всем элементам в последовательности их расположения по
ходу движения дымовых газов.
2.4. Расчет паропроизводительности котла
1. Теплота, отданная дымовыми газами в котле-утилизаторе:
Qг  ξV0c iг  iг , кВт.
(2.21)
2. Теплота дымовых газов затрачивается на нагрев воды и получение перегретого пара, согласно уравнению теплового баланса:
Qг  Dпп iпп  iпв   Dпр i  iпв ,
(2.22)
где Dпп – паропроизводительность котла-утилизатора, кг/с;
Dпр – расход воды на продувку котла; кг/с:
Dпр  DппΨ1 ,
где Ψ1 – величина непрерывной продувки котла, принимаемая не
более 5 %.
Отсюда паропроизводительность котла-утилизатора:
Dпп 
Qг
, кг/с.
iпп  iпв   0,05i  iпв 
– 13 –
(2.23)
Раздел 3. ПРИМЕР РАСЧЕТА КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
Задание: Провести тепловой и конструктивный расчет котлаутилизатора КУ-40, расход газов* через который составляет
V0 = 40000 м3/ч. Газы имеют следующий состав*: СО2 = 18,4 %,
SО2 = 0,4 %, N2 = 67,6 %, H2О = 12,5 %, O2 = 1,1 %. Температура газов перед котлом* t'г = 620 С.
* Значения, заданные по вариантам (см. табл. 4.1).
Температура питательной воды tпв 100 С. Параметры перегретого пара и температура газов на выходе из КУ зависят от его типа и
приведены в приложении 1.
Определить: Паропроизводительность котла-утилизатора.
3.1. Расчет энтальпии газов и параметров пара и воды
1. Объёмная теплоёмкость газов по формуле (2.1):
– на входе в котел-утилизатор при температуре t'г = 620 С:
cp  2,05  0,184  2,12  0,004  1,342  0,676  1,62  0,125  1,42  0,011 
= 1,51 кДж/(м3град);
– на выходе из котла-утилизаторапри температуре t"г =248 С:
cp  1,82  0,184  1,92  0,004  1,3  0,676  1,53  0,125  1,35  0,011 
= 1,36кДж/(м3град).
2. Энтальпия газов по формуле (2.2):
– на входе в котел-утилизатор:
i'г = 1,51  620 = 936,2 кДж/м3;
– на выходе из котла-утилизатора:
i"г = 1,36  248 = 337,3 кДж/м3.
3. По полученным данным строим график зависимости изменения энтальпии газов от температуры (i–t-диаграмму)
– 14 –
4. При tпп = 385 С и рпп = 4,5 МПа = 45 бар по i–s-диаграмме
(приложение 3):
– энтальпия перегретого пара iпп = 3180 кДж/кг;
– температура пара в барабане t" = 260 С;
– энтальпия пара в барабане i"=2800 кДж/кг.
5. Давление пара в барабане по формуле (2.3):
Рб=4,5+0,5=5 МПа;
6. Энтальпия кипящей воды в барабане (приложение 4)
i'=1120 кДж/кг.
7. Энтальпия питательной воды по формуле (2.4):
iпв = 4,19100 = 419 кДж/кг.
8. Секундный расход дымовых газов по формуле (2.5):
V0c 
40000
 11,11 м3/с.
3600
3.2. Расчет предвключенного испарительного пакета
1. Принимают температуру газов за секцией t'г.пп = 570 С.
2. Среднелогарифмический температурный напор по формуле
(2.6):
– 15 –
Δt1исп.п 
620  260  570  260  333 С.
ln
620  260
570  260
3. Средняя температура дымовых газов в зоне расположения
предвключенного испарительного пакета по формуле (2.7):
ср
tг.1исп.п

620  570
 595 С.
2
4. Расход дымовых газов при рабочих условиях по формуле (2.8):
Vг.1исп.п  11,11 
595  273
 35,32 м3/с.
273
5. Средняя скорость движения дымовых газов в предвключенном
испарительном пакете по формуле (2.9):
ωг.1исп.п 
35,32
 8,12 м/с.
4,32
6. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к
пучку труб предвключенного испарительного пакета по формуле
(2.10).
В КУ-40 расположение труб в пучке предвключенного испарительного пакета шахматное. Трубы омываются дымовыми газами в
поперечном направлении; количество рядов по ходу газов z2 = 12;
s
70
s
86
 2,19 .
σ1  1 
 2,68 ; σ 2  2 
d н 32
d н 32
В соответствии с этим по номограмме 2 приложения 6:
н = 85 Вт/(м2К), Сz = 1,0, Сs= 0,95, Сф = 1,0.
αк  85 1,0  0,95 1,0  80,75 Вт/(м2К),
s1  s2 86  70

 7 , то эффективную толщину излуdн
32
чающего газового слоя определяют по формуле (2.11а):
7. Так как
– 16 –
86  70

 32
lэф  1,87
 4,1
 0,161 м.
32

 1000
8. Парциальное давление компонентов дымовых газов по формуле (2.12):
pCO 2  18,4/100  0,184 атм,
pSO 2  0,4/100  0,004 атм,
pN 2  67,6/100  0,676 атм,
pH 2 O  12,5/100  0,125 атм,
pO 2  1,1/100  0,011 атм.
9. Произведение парциального давления излучающих составляющих на эффективную толщину излучающего газового слоя:
pCO 2 lэф  98  0,184  0,161  2,9 кН/м,
pН 2 Оlэф  98  0,125  0,161  1,97 кН/м,
где 98 – переводной коэффициент из атмосфер к килоньютоны.
10. Степень черноты дымовых газов по формуле (2.13):
εг  0,08  1,11 0,047  0,13 .
11. Эффективная степень черноты по формуле (2.14):
ε ст.эф  1  0,8/2  0,9 .
12. Коэффициент теплоотдачи излучением по формуле (2.15):
αизл
4
4

 595  273 
 260  273  
5,67  0,90,13
  0,143
 
 100 
 100  


 9,5 Вт/(м2С).
595  260
13. Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к
трубам по формуле (2.16):
αΣ  80,75  9,5  90,25 Вт/(м2С).
14. Коэффициент теплопередачи по формуле (2.17):
– 17 –
k
1
1
 0,005
90,25
 62,19 Вт/(м2С).
15. Количество тепла, отданное дымовыми газами в предвключенном испарительном пакете по формуле (2.18):
Q1исп.п 
62,19  30  333
 621 кВт.
1000
16. Энтальпия дымовых газов на выходе из предвключенного
испарительного пакета по формуле (2.19):
  936,2 
iг.пп
621
 877 кДж/м3.
11,11  0,95
17. По i–t-диаграмме температура дымовых газов на выходе из
 = 575 С.
предвключенного испарительного пакета tг.пп
18. Погрешность между принятой и полученной температурами
дымовых газов по формуле (2.20):
Δ
570  575
570
100  0,8 %.
3.3. Расчет пароперегревателя, испарительного пакета
и водяного экономайзера
3.3.1. Расчет пароперегревателя
1. Принимают температуру:
 = 575 С;
– газов на входе в пароперегреватель tг.пп
 – (50100) С,
– газов на выходе из пароперегревателя t"г.пп = tг.пп
т. е. t"г.пп = 575 – 50 = 525 С;
– пара на входе в пароперегреватель t" = 260 С;
– пара на выходе из пароперегревателя tпп = 385 С.
2. Среднелогарифмический температурный напор:
– 18 –
Δtпп 
575  385  525  260  225 С.
ln
575  385
525  260
3. Средняя температура дымовых газов в зоне расположения пароперегревателя:
ср
tг.пп

575  525
 550 С.
2
4. Расход дымовых газов при рабочих условиях:
Vг.пп  11,11 
550  273
 33,5 м3/с.
273
5. Средняя скорость движения газов в пароперегревателе:
ωг.пп 
33,5
 10,6 м/с.
3,17
6. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к пароперегревателю.
86
 2,68 ;
Количество рядов по ходу газов z2 = 8; σ1 
32
70
σ2 
 2,19 . В соответствии с этим: н = 97 Вт/(м2К); Сz = 0,96;
32
Сs= 0,95; Сф = 1,0.
к  97  0,96  0,95 1,0  88,5 Вт/(м2К).
7. Эффективная
lэф  0,161 м.
толщина
излучающего
газового
слоя
8. Парциальное давление компонентов излучающих газов:
pCO 2  0,184 атм, pH 2 O  0,125 атм.
9. Произведение парциального давления излучающих составляющих на эффективную толщину излучающего газового слоя:
– 19 –
pCO2 lэф  2,9 кН/м,
pН 2 Оlэф  1,97 кН/м.
10. Степень черноты дымовых газов:
εг  0,082  1,11 0,055  0,143 .
11. Эффективная степень черноты ε ст.эф  1  0,8 / 2  0,9 .
12. Коэффициент теплоотдачи излучением, учитывая, что температура стенок труб принимается равной средней температуре пара, т. е.
tстср  t   tпп  / 2  260  385 / 2  323 С, следовательно, при этой
температуре степень черноты ε ст
г  0,15 :
αизл
4
4

 550  273 
 323  273  
5,67  0,90,143
  0,15
 
 100 
 100  


 8,6 Вт/(м2С).
550  323
13. Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к
трубам:
αΣ  88,5  8,6  97,1 Вт/(м2С).
14. Коэффициент теплопередачи:
k
1
 66 Вт/(м2С).
1
 0,005
97,1
15. Количество тепла, отданное дымовыми газами в пароперегревателе:
66  44  225
 653 кВт.
1000
16. Энтальпия дымовых газов на выходе из пароперегревателя:
Qп.п 
  877 
iг.пп
653
 755 кДж/м3.
11,11  0,95
– 20 –
17. По i–t-диаграмме температура дымовых газов на выходе из
 = 530 С.
пароперегревателя tг.пп
18. Погрешность между принятой и полученной температурами
дымовых газов:

525  530
525
 100  0,96 %.
3.3.2. Расчет испарительного пакета
1. Принимают температуру:
 = tг.пп
 = 530 С;
– газов на входе в испарительный пакет tг.исп
 = tг.исп
 – (100250) С,
– газов на выходе из пароперегревателя tг.исп
 = 530 – 200 = 330 С;
т. е. tг.исп
– пароводяной смеси при давлении р = 4,5 МПа равную t" = 260 С;
2. Среднелогарифмический температурный напор:
Δtисп 
530  260  330  260  149 С.
ln
530  260
330  260
3. Средняя температура дымовых газов в испарительном пакете:
ср
tг.исп

530  330
 430 С.
2
4. Расход дымовых газов при рабочих условиях:
Vг.исп  11,11 
430  273
 28,6 м3/с.
273
5. Средняя скорость движения газов в испарительном пакете:
ωг.исп 
28,6
 9 м/с.
3,17
6. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов в испарительном пакете.
– 21 –
Количество рядов по ходу газов z2 = 22; σ1 
172
 5,36 ;
32
70
 2,19 . В соответствии с этим: н = 88 Вт/(м2К), Сz = 1,0;
32
Сs= 1,0; Сф = 1,01.
αк  80  1,0  1,0 1,01  88,9 Вт/(м2К).
s  s 172  70
7. Так как 1 2 
 7 , то эффективную толщину изdн
32
лучающего газового слоя определяют по формуле (2.11б):
σ2 
172  70

 32
lэф   2,87
 10,6 
 0,355 м.
32

 1000
8. Парциальное давление компонентов излучающих газов:
pCO 2  0,184 атм, pH 2 O  0,125 атм.
9. Произведение парциального давления излучающих газов на
эффективную толщину излучающего газового слоя:
pCO 2 lэф  98  0,184  0,355  6,4 кН/м,
pН 2 Оlэф  98  0,125  0,355  4,3 кН/м.
10. Степень черноты дымовых газов:
εг  0,085  1,11 0,12  0,218 .
11. Эффективная степень черноты ε ст.эф  1  0,8/2  0,9 .
12. Коэффициент теплоотдачи излучением, учитывая, что температура стенок труб принимается равной температуре пароводяной
смеси, т. е. tстср  t   260 С, следовательно, при этой температуре
степень черноты ε ст
г  0,223 .
αизл
4
4

 430  273 
 260  273  
5,67  0,9 0,218
  0,223
 
 100 
 100  



 10,5 Вт/(м2С).
430  260
– 22 –
13. Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к
трубам:
αΣ  88,9  10,5  99,4 Вт/(м2С).
14. Коэффициент теплопередачи:
k
1
 66,2 Вт/(м2С).
1
 0,005
99,4
15. Количество тепла, отданное дымовыми газами в испарительном пакете:
Qисп 
66,2  340  149
 3353 кВт.
1000
16. Энтальпия дымовых газов на выходе из испарительного пакета:
  755 
iг.исп
3353
 437 кДж/м3.
11,11  0,95
17. По i–t-диаграмме температура дымовых газов на выходе из
 = 325 С.
испарительного пакета tг.исп
18. Погрешность между принятой и полученной температурами
дымовых газов:
Δ
330  325
 100  1,51 %.
330
3.3.3. Расчет водяного экономайзера
1. Принимают температуру:
 = tг.исп
 = 330 С;
– газов на входе в экономайзер tг.эк
 – (50100) С, т. е.
– газов на выходе из экономайзера tг.э к= tг.эк
 = 330 – 80 = 250 С;
tг.эк
– питательной воды tпв= 100 С;
– пароводяной смеси при давлении р = 4,5 МПа, равную t" = 260 С.
– 23 –
2. Среднелогарифмический температурный напор:
Δtэк 
330  260  250  100  84 С.
ln
330  260
250  100
3. Средняя температура дымовых газов в экономайзере:
ср
tг.эк

330  250
 290 С.
2
4. Расход дымовых газов при рабочих условиях в экономайзере:
Vг.эк  11,11 
290  273
 22,9 м3/с.
273
5. Средняя скорость движения газов в экономайзере:
ωг.эк 
22,9
 7,2 м/с.
3,18
6. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов в
экономайзере.
86
 2,68 ;
Количество рядов по ходу газов z2 = 20; σ1 
32
70
σ2 
 2,19 . В соответствии с этим: н = 77 Вт/(м2К); Сz = 1,0;
32
Сs= 1,0; Сф = 1,02.
αк  77 1,0 1,0 1,02  78,5 Вт/(м2К).
7. Эффективная толщина излучающего газового слоя lэф  0,161 м.
8. Парциальное давление компонентов излучающих газов:
pCO 2  0,184 атм, pH 2 O  0,125 атм.
9. Произведение парциального давления излучающих составляющих на эффективную толщину излучающего газового слоя:
pCO2 lэф  2,9 кН/м, pН 2 Оlэф  1,97 кН/м.
– 24 –
10. Степень черноты дымовых газов:
εг  0,065  1,11  0,07  0,143 .
11. Эффективная степень черноты ε ст.эф  0,9 .
12. Коэффициент теплоотдачи излучением, учитывая, что температура стенок труб принимается равной средней температуре воды,
т. е. tстср  260  100  / 2  180 С, следовательно, при этой температуре степень черноты ε ст
г  0,151 :
αизл
4
4

 290  273 
 180  273  
5,67  0,9 0,143

0,151


 
 100 
 100  


 3,7 Вт/(м2С).
290  180
13. Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к
трубам:
αΣ  78,5  3,7  82,2 Вт/(м2С).
14. Коэффициент теплопередачи:
k
1
1
 0,005
82,2
 58,3 Вт/(м2С).
15. Количество тепла, отданное дымовыми газами в экономайзере:
Qэк 
58,3  185  84
 905 кВт.
1000
16. Энтальпия дымовых газов на выходе из испарительного пакета:
  437 
iг.эк
905
 351 кДж/м3.
11,11  0,95
17. По i–t-диаграмме температура дымовых газов на выходе из
 = 245 С.
экономайзера t г.эк
– 25 –
18. Погрешность между принятой и полученной температурами
дымовых газов:

250  245
250
100  2 %.
3.4. Расчет паропроизводительности котла
1. Теплота, отданная дымовыми газами по формуле (2.21):
Qг  0,95 11,11936,2  337,3  6321кВт.
2. Паропроизводительность котла-утилизатора по формуле
(2.23):
Dпп 
6321
3180  419   0,05 1120  419 
 2,26 кг/с 
– 26 –
2,26  3600
1000
 8,14 т/ч.
Раздел 4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ
Состав газов, %
№
Расход газов
V0, м3/ч
СО2
Н2О
N2
О2
Температура
газов перед
котлом tг, С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
40000
40000
40000
40000
60000
60000
60000
60000
80000
80000
80000
80000
100000
100000
125000
20
18
15
14
20
18
15
14
20
18
15
14
20
18
15
12
14
10
11
12
14
10
11
12
14
10
11
12
14
10
66
65
72
71
66
65
72
71
66
65
72
71
66
65
72
2
3
3
4
2
3
3
4
2
3
3
4
2
3
3
700
680
630
650
700
680
630
650
700
680
630
650
700
680
630
– 27 –
ЛИТЕРАТУРА
1. Абашкин С. Н., Андреев В. П., Бажанов Л. Н. [и др.]. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии. М.: Металлургия, 1982.
2. Теплоэнергетика металлургических заводов / Под редакцией Ю. И. Розенгарта. М.: Металлургия, 1985.
3. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). СПб.: НПО ЦКТИ, 1998.
4. Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей. М.: Металлургия, 1975.
5. Казанцев Е. И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975.
6. Теплотехника / Под редакцией Г. А. Матвеева. М.: Высшая школа, 1981.
– 28 –
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Техническая характеристика водотрубных конвективных КУ
Тип котлов утилизаторов
Показатель
КУ-40
Паропроизводительность, т/ч
12,9 13
Давление перегретого
пара, МПа
4,5
1,8
КУ-60
КУ-80
19 12,8 19,9 13,8 25,8 17,3 26,9 18,4
4,5
1,8
4,5
Температура, С
385 375 392 370 336 340 385
– перегретого пара
850 850 850 650 850 650 850
– газов на входе
248 248 252 242 229 219 248
– газов на выходе
3
Расход газов, тыс. м /ч
40
60
Сопротивление
газового тракта, кПа
1,17
Поверхность нагрева, м
– 1 испарительного
пакета
– пароперегревателя
– 2 испарительного
пакета
– 3 испарительного
пакета
– 4 испарительного
пакета
– водяного экономайзера
1,15
1,1
1,8
365
650
239
358
850
227
80
1,24
1,19
2
Габаритные размеры, м
– длина
– ширина
– высота
30
44
46
70
60
87
140
173
219
200
192
244
–
185
175
247
221
370
11,5
5,2
11,1
11,3
7,3
11,0
11,3
8,0
11,0
– 29 –
336
650
216
Окончание прил. 1
Тип котлов утилизаторов
Показатель
Паропроизводительность, т/ч
Давление перегретого
пара, МПа
Температура, С
– перегретого пара
– газов на входе
– газов на выходе
КУ-100
КУ-125
КУ100
32,6 21,8 33,9 23,2 32,5 22,3 40,8 27,4 42,4 29,4 50,5
4,5
1,8
1,8
4,5
1,8
4,5
382 363 360 339 395 368 385 365 365 341 393
850 650 850 650 850 650 850 650 850 650 850
242 220 242 220 232 222 230 220 220 218 213
Расход газов, тыс. м3/ч
Сопротивление
газового тракта, кПа
КУ-100Б
100
1,2
100
1,14
1,13 1,0
125
1,15
150
1,1
1,16
Поверхность нагрева, м2
– 1 испарит-го пакета
– пароперегревателя
– 2 испарит-го пакета
– 3 испарит-го пакета
– 4 испарит-го пакета
– водяного
экономайзера
– всего
85
110
285
315
295
95,6
137
147,5
349
–
110
145
370
410
380
133
166
415
475
436
460
1550
497
1226,1
615
2030
725
2350
Габаритные размеры, м
– длина
– ширина
– высота
12,4
8,2
11,6
9,5
7,8
15
12,6
9,2
11,6
14,5
10,2
12,0
– 30 –
Приложение 2
Средние теплоёмкости газов (кДж/(м3·С))
t, С
О2
N2
CO
H2
CO2
H2O
SO2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
1,306
1,319
1,336
1,357
1,377
1,398
1,415
1,436
1,449
1,465
1,478
1,491
1,503
1,511
1,520
1,528
1,537
1,545
1,553
1,562
1,570
1,574
1,583
1,591
1,595
1,604
1,294
1,298
1,298
1,306
1.315
1,327
1,340
1,352
1,365
1,377
1,390
1,403
1,415
1,425
1,436
1,444
1,453
1,461
1,470
1,474
1,482
1,491
1,495
1,503
1.507
1,511
1,298
1,302
1,306
1,315
1,327
1,344
1,357
1,373
1,386
1,398
1,411
1,424
1,436
1,449
1,457
1,465
1,474
1,482
1,491
1,499
1,503
1,511
1,516
1,520
1,528
1,532
1,277
1,289
1,298
1,298
1,302
1,306
1,310
1,315
1,319
1,323
1,331
1,336
1,344
1,352
1,361
1,369
1,373
1,382
1,390
1,398
1,407
1,415
1,423
1,432
1,436
1,444
1,599
1,700
1,788
1,863
1,930
1,989
2,043
2,089
2,098
2,169
2,202
2,236
2,2656
2,290
2,315
2,336
2,374
2,374
2,391
2.407
2,424
2,437
2,449
2,462
2,470
2,483
1,495
1,507
1,524
1,541
1,566
1,591
1,616
1,641
1,666
1,696
1,725
1,750
1,775
1,805
1,830
1,855
1,876
1,901
1,922
1,943
1,964
1,985
2,001
2,018
2,035
2,052
1,733
1,813
1,888
1,955
2,018
2,060
2,114
2,152
2,181
2,215
2,236
2,261
2,278
2,299
2,319
2,340
2,361
2,382
–
–
–
–
–
–
–
–
– 31 –
CH4 C2H4
1,549
1,641
1,758
1,888
2,014
2,139
2,261
2,378
2,504
2,600
2,700
2,788
2,864
2,888
2,960
3,044
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
1,825
2,064
2,282
2,495
2,688
2,864
3,027
3,178
3,308
3,433
3,546
3,655
3,751
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
H2S
C2H6
1,507
1,532
1,562
1,595
1,633
1,671
1,746
1,780
1,784
1,817
1,851
1,884
1,909
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
2,211
2,495
2,776
3,044
3,308
3,355
3,776
3,986
4,174
4,363
4,530
4,685
4,827
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Приложение 3
i–s-диаграмма состояния воды и водяного пара
– 32 –
Приложение 4
Параметры сухого насыщенного пара и воды на кривой насыщения
(по давлению)
р, МПа
tн, С
, м3/кг
, м3/кг
i,
кДж/кг
i,
кДж/кг
1
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0,005
0,010
0,020
0,025
0,030
0,04
0,05
0,10
0,20
0,30
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,5
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
22,0
2
6,936
13,001
17,486
21,071
24,078
26,674
28,95
32,89
45,82
60,08
64,99
69,12
75,87
81,33
99,62
120,23
133,54
151,84
158,84
164,96
170,41
175,36
179,88
198,28
212,37
233,83
250,33
263,91
275,56
285,80
294,98
303,31
310,96
324,64
336,63
347,32
356,96
365,72
373,71
3
0,0010001
0,0010007
0,0010014
0,0010021
0,0010028
0,0010035
0,0010042
0,0010054
0,0010102
0,0010171
0,0010198
0,0010223
0,0010264
0,0010299
0,0010432
0,0010606
0,0010733
0,0010927
0,0011009
0,0011081
0,0011149
0,0011213
0,0011273
0,0011538
0,0011768
0,0012164
0,0012520
0,0012858
0,0013185
0,0013510
0,0013838
0,0014174
0,0014522
0,001527
0,001611
0,001710
0,001839
0,00203
0,00269
4
130,04
88,38
67,24
54,42
45,77
39,56
34,93
28,24
14,70
7,652
6,201
5,232
3,999
3,243
1,696
0,8860
0,6055
0,3749
0,3156
0,2728
0,2403
0,2149
0,1945
0,1317
0,09961
0,06663
0,04977
0,03943
0,03243
0,02738
0,02352
0,02049
0,01803
0,01426
0,01149
0,009319
0,007505
0,00586
0,00378
5
29,18
54,61
73,40
88,36
100,93
111,81
121,33
137,79
191,84
251,48
272,03
289,30
317,62
340,53
417,47
504,74
561,7
640,1
670,6
697,2
720,9
742,7
762,4
844,5
908,6
1008,4
1087,5
1154,2
1213,9
1267,6
1317,3
1363,9
1407,6
1491,1
1570,8
1649,6
1732,2
1826,8
2009,7
6
2513,4
2524,7
2533,1
2539,5
2545,3
2549,9
2553,7
2560,9
2583,9
2609,2
2617,6
2624,6
2636,3
2645,2
2674,9
2706,8
2725,5
2748,8
2756,9
2763,7
2769,0
2773,7
2777,8
2791,8
2799,2
2803,1
2800,6
2793,9
2784,4
2772,3
2758,6
2742,6
2724,8
2684,6
2637,9
2581,7
2510,6
2410,3
2195,6
– 33 –
s,
кДж
(кгград)
7
0,1053
0,1952
0,2603
0,3119
0,3547
0,3912
0,4225
0,4764
0,6496
0,8324
0,8934
0,9441
1,0261
1,0912
1,3026
1,5306
1,6716
1,8605
1,9311
1,9923
2,0461
2,0945
2,1383
2,3148
2,4471
2,6465
2,7965
2,9210
3,0276
3,1221
3,2079
3,2866
3,3601
3,4966
3,6233
3,7456
3,8708
4,0147
4,2943
s,
кДж/
(кгград)
8
8,9747
8,8268
8,7227
8,6424
8,5784
8,5222
8,4737
8,3943
8,1494
7,9075
7,8300
7,7673
7,6710
7,5923
7,3579
7,1279
6,9922
6,8221
6,7609
6,7090
6,6630
6,6223
6,5867
6,4458
6,3411
6,1859
6,0689
5,9739
5,8894
5,8143
5,7448
5,6783
5,6147
5,4930
5,3731
5,2478
5,1054
4,9280
4,5815
Приложение 5
Расчетно-конструктивная характеристика котлов типа КУ
№
Характеристика
1 Число параллельно
включенных змеевиков:
– 1 испарительного пакета
– 2–4 испарительного пакета
– пароперегревателя
– водяного экономайзера
2 Площадь живого сечения для
прохода газов fг, м2:
– 1 испарительного пакета
– 2–4 испарительного пакета
– пароперегревателя
– водяного экономайзера
3 Площадь живого сечения для
пара и воды fп, м2:
– 1 испарительного пакета
– 2–4 испарительного пакета
– пароперегревателя
– водяного экономайзера
4 Диаметр труб dн/dвн, мм
5 Количество рядов по ходу
газов z2, шт
– 1 испарительного пакета
– 2 испарительного пакета
– 3 испарительного пакета
– 4 испарительного пакета
– пароперегревателя
– водяного экономайзера
6 Шаг труб по ширине s1, мм
– 1 испарительного пакета
– 2–4 испарительного пакета
– пароперегревателя
– водяного экономайзера
7 Шаг труб по глубине s2, мм
КУ-40
Тип котла-утилизатора
КУ-60 КУ-80 КУ-100 КУ-125
18
38
19
12
28
36
40
52
60
76
80
104
30*60** 38*76** 40*80* 52*104**
32
16
24
24
4,32
3,17
3,17
3,18
7
5,06
5,06
4,55
8,63
6,34
6,34
6,36
10,8
8,04
8,04
7,67
13,2
10,3
10,3
9,4
0,0096
0,0202
0,0101
0,0063
0,0148
0,0318
0,0159
0,0085
0,0192
0,0404
0,0202
0,0127
32/26
0,0212
0,0425
0,0212
0,0127
0,0276
0,0552
0,0276
0,0170
12
20
22
22
8
2×20
86
172
86
86
70
* – при давлении 4,5 МПа, ** – при давлении 1,8 МПа.
– 34 –
Приложение 6
Номограмма 1 для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией
для ширм и коридорных гладкотрубных пучков
при поперечном омывании  k   н C z C s Cф
Поправочный
коэффициент
для расчета
коэффициента
теплоотдачи
к номограмме 1.
– 35 –
Продолжение прил. 6
Номограмма 2 для определения коэффициента теплоотдачи
конвекцией для шахматных гладкотрубных пучков
при поперечном омывании  k   н C z C s C ф
– 36 –
Продолжение прил. 6
Поправочные коэффициенты для расчета коэффициента теплоотдачи
к номограмме 2
– 37 –
Продолжение прил. 6
Номограмма 3 для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией
при продольном омывании труб дымовыми газами
– 38 –
Окончание прил. 6
Поправочные коэффициенты для расчета коэффициента теплоотдачи
к номограмме 3
– 39 –
Приложение 7
Номограмма 1 для определения степени черноты СО 2
– 40 –
Продолжение прил. 7
Номограмма 2 для определения степени черноты Н 2О
– 41 –
Окончание прил. 7
Номограмма 3 для определения поправочного коэффициента 
– 42 –
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ:
Расчет установок для утилизации тепла
дымовых газов промышленных печей
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
к выполнению практических занятий, самостоятельной работы,
курсового и дипломного проектирования для студентов,
обучающихся по направлению подготовки 150400.62 – «Металлургия»,
профиль «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»
Составитель: Герасименко Т. Е.
ВЛАДИКАВКАЗ 2014
– 43 –