Блочный контактный насадочный скруббер ЭК–БМ1 последней модификации

Рис.2. 1 – входной патрубок горячих газов; 2 – штуцер для отвода нагретой воды; 3 – переливной патрубок (труба); 4 – корпус; 5 – люк; 6 – рабочий слой кольцевых насадок, уложенных рядами; 7 – то же, загруженных навалом; 8 – каплеулавливающий насадочный слой; 9 – люк-взрывной клапан; 10 – патрубок для отвода охлажденных газов; 11 – водораспределитель производить подсушку дымовых газов.

 

Преимуществом насадочных аппаратов по сравнению с безнасадочными является большая компактность, однако они обладают и большим гидравлическим сопротивлением. Насадка склонна к забиванию пылью при обработке запыленных газов.

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Главной целью теплового расчета контактных теплоутилизаторов является определение объема насадки (ее геометрической поверхности), который обеспечивает нагрев воды до заданных параметров.

В соответствии с заданием уточняем исходные данные для выполнения расчетов:

а) температуру дымовых газов на входе в КТУ (температуру уходящих из котла газов принимаем из характеристик котельного агрегата [2]), =146⁰С;

б) температуру дымовых газов на входе в КТУ (по заданию), =40⁰С;

в) температуру воды на входе в КТУ (по заданию), =5⁰С;

г) теоретические объемы воздуха, водяных паров, азота, трехатомных газов принимаем из приложения 8 [1]:

=2,24 м³/м³;

=9,03 м³/м³;

=1,31 м³/м³;

=11,13 м³/м³ – теоретический объем воздуха;

=12,58 м³/м³ – теоретический объем газов;

д) коэффициент избытка воздуха принимаем согласно рекомендациям [2], =1,3;

е) расчетный КПД котла, расход топлива (из характеристик котельного агрегата [2]): =92,1 %;

Расход топлива рассчитываем по формуле:

 

,

 

где теплопроизводительность котла, кВт, определяемая по формуле:

 

,

 

где номинальная паропроизводительность, кг/с, (из характеристик котельного агрегата [2]), 10 т\ч=2,77 кг/с;

расход воды на продувку, кг/с, принимается

 кг/с;

энтальпия перегретого пара, питательной и котловой воды, МДж/кг.

 определяем при =194 ⁰С (прил.5,[1]), =2789,08 кДж/кг;

 определяем при ⁰С (прил.4.[1]), =419,1 кДж/кг;

 определяем при =1,4 МПа, (прил.4.[1]), =830,8 кДж/кг;

располагаемая теплота, принимаемая  МДж/м³;

 

 м³/с

Определяем удельный объем дымовых газов:

,

 

где  коэффициент избытка воздуха;

 м³/м³

Определяем объемные доли компонентов в дымовых газах:

 

,

,

,

 

Определяем начальное влагосодержание дымовых газов:

 

,

 

где  объемная доля компонента;

молекулярная масса компонента, г/моль, 18 г/моль,

44 г/моль, 28 г/моль, 29 г/моль.

 кг/кг.

Тепловой расчет контактного теплоутилизатора ведется на 1 кг сухого газа, поэтому необходимо определить начальное влагосодержание сухих газов, кг/кг с.г.

,

 

где молекулярная масса сухих газов.

 кг/кг с.г.

Определяем конечное влагосодержание дымовых газов, полагая, что на выходе из теплоутилизатора при температуре  газ является насыщенным, кг/кг с.г.:

 

,

 

где газовая постонная сухого газа,

;

газовая постоянная водяного пара (молекулярная масса пара =18),

;

Р – давление влажного газа в аппарате, МПа, принимаем Р=0,1 МПа;

Р_МАКС – давление насыщенного пара при =40⁰С, МПа (прил. 6 [1]), Р_МАКС=0,0076 МПа;

 кг/кг с.г.

Определяем давление водяных паров в аппарате по формуле:

 

 МПа

По давлению водяных паров определяем предварительное значение температуры мокрого термометра  (прил. 6 [1]):

=52,2 ⁰С при =0,0141 МПа

Определяем влагосодержание дымовых газов , кг/кг с.г. при  по формуле:

 

 кг/кг с.г.

 

Уточняем температуру мокрого термометра по методу, предложенному Н.И. Егоровым. Этот метод основан на составлении теплового баланса теплоутилизатора в момент насыщения газа парами и достижения жидкостью температуры мокрого термометра. В этом случае тепло, содержащееся в газе, равно сумме тепла, внесенного газом в аппарат, и тепла паров, образовавшихся при испарении жидкости.

Тепловой баланс аппарата по газу тогда запишется следующим образом:

 

,

 

где теплоемкость сухих газов, определяемая при средней температуре дымовых газов в аппарате =93⁰С, (по прил. 7 [1]): 1,043 кДж/(кг⁰С);

 энтальпия пара при =52,2 ⁰С: 2595 кДж/кг, [3];

 энтальпия водяного пара при =146⁰С, (по прил. 5 [1]), 2741,66 кДж/кг [3];

Подставив значения  и , а также  и  в это уравнение, проверяем сходимость баланса:

 %.

Так как погрешность баланса превышает 1 %, то задаемся другим значением температуры мокрого термометра;  увеличиваем, так как левая часть баланса меньше правой .

Принимаем =56,0 ⁰С, тогда =0,01688 МПа.

Влагосодержание дымовых газов , кг/кг с.г. определим по формуле:

 

 кг/кг с.г.

 

Энтальпию пара  находим при =56,0 ⁰С, 2600 кДж/кг, энтальпия водяного пара при =146⁰С и =0,0141МПа 2741,66 кДж/кг [3].

Тогда проверяем сходимость баланса:

 %.

Погрешность баланса не превышает 1 %.

Изображаем на Id–диаграмме процессы охлаждения дымовых газов в контактном теплоутилизаторе :

Определяем средний действительный объем дымовых газов в КТУ по формуле:

 

,

где средняя температура дымовых газов в аппарате,

 

 ⁰С;

 

В – расход топлива, В =0,169 м³/с;

удельный объем дымовых газов 15,919 м³/м³;

 м³с.

Рассчитываем массовый расход дымовых газов:

 

,

 

где плотность дымовых газов при ⁰С:

 

,

 

где сумма произведений объемных долей и молекулярных масс компонентов,  г/моль;

 кг/м³

 кг/с

Для устранения возможной конденсации водяных паров необходимо производить подсушку уходящих из КТУ газов путем перепуска (байпасирования) 10¸15 % или более их объема помимо КТУ и их дальнейшее смешение за теплоутилизатором.

Массовый расход газов через теплоутилизатор с учетом байпасирования определяем через тепловой баланс:

,

 

где температура газов в устье дымовой трубы,

;

теплоемкость дымовых газов, определяемая по температуре  по прил. 7 [1], ;

теплоемкость газов при ⁰С, определяемая по прил. 7[1], ;

теплоемкость газов при ⁰С, определяемая по прил. 7[1], ;

 кг/с

Определяем расчетный расход газов через теплоутилизатор с учетом байпасирования:

 

 м³/с

 

Находим начальное значение температуры воды, выходящей из теплоутилизатора:

 

 

Рассчитываем секундный расход воды, подаваемой в КТУ:

 

,

где теплоемкость сухих газов при определяемая ⁰С по прил. 7 [1], ;

энтальпия водяного пара при ⁰С , определяемая по прил. 5 [1] 2741,66 кДж/кг [3] ;

энтальпия водяного пара при ⁰С, определяемая по прил. 4 [1], ;

теплоемкость воды при ⁰С, определяемая по прил. 4 [1],

;

теплоемкость воды при ⁰С, определяемая по прил. 4 [1], ;

По найденному значению  уточняем температуру выходящей из теплоутилизатора воды:

 

⁰С

 

Определяем несовпадение предварительно заданного и рассчитанного значений :

 

%,

 

где температура воды на выходе из теплоутилизатора ⁰С;

температура воды на выходе из теплоутилизатора ⁰С

Так как Д=4,25% < 5% ⁰С

Определяем количество утилизируемой теплоты (теплопроизводительность КТУ):

 

,

 

где  секундный расход воды, подаваемой в КТУ, 3,274 кг/с;

теплоемкость воды при ⁰С, определяемая по прил. 4 [1], ;

начальное влагосодержание дымовых газов, 0,10 кг/кг с.г.;

конечное влагосодержание дымовых газов, 0,058 кг/кг с.г.

 кВт

Рассчитываем количество нагретой воды, выходящей из теплоутилизатора:

 

 кг/с.

 

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

 

Задачами конструктивного расчета являются: выбор типоразмера теплоутилизатора, определение количества аппаратов, определение высоты засыпки насадки в КТУ.

Расчет конструктивных характеристик теплоутилизатора производится для всех размеров заданного типа насадки (таблица 2.1. [1]).

Выбираем тип теплоутилизатора. В качестве КТУ принимаем стандартный контактный экономайзер ЭК-БМ1, выпускаемый двух типоразмеров: ЭК-БМ1-1 с диаметром скруббера 1м и ЭК-БМ1-2 с диаметром 2м.

Выбираем ЭК-БМ1-1 с диаметром скруббера 1 м.

Рассчитываем количество устанавливаемых аппаратов:

 

,

 

где диаметр выбранного типа теплоутилизатора, м;

рекомендуемая скорость газов в свободном сечении скруббера

 

 м/с;

 

 шт.

Полученное значение округляем до целого числа, т.е. n = 2 шт. Дальнейший расчет ведем для одного аппарата.

Определяем действительную скорость газов в свободном сечении теплоутилизатора:

 

 м/с

 

Рассчитываем среднюю разность температур между теплоносителями:

⁰С

 

Определяем плотность орошения:

 

,

 

где плотность воды при ⁰С, определяемая по прил. 4 [1],  кг/м³;

свободный объем насадки, ; ; ; , размер насадки: 1) 15х15х2; 2) 25х25х3; 3) 35х35х4; 4) 50х50х5 из таблицы 2.1. [1]).

 м³/(м²ч)

 м³/(м²ч)

 м³/(м²ч)

 м³/(м²ч)

Рассчитываем поверхностный коэффициент теплообмена:

 

,

 

где коэффициент теплопроводности сухого газа при ⁰С, определяемый по прил. 7 [1],  ;

плотность сухих газов при ⁰С, определяемая по прил. 7

[1],  кг/м³;

динамическая вязкость газа при ⁰С, определяемая по

прил. 7 [1], ;

кинематическая вязкость жидкости, определяемая по прил. 4 [1] при ⁰С, ;

g – коэффициент свободного падения, g=9,81 м/с²;

 a =1,16 – коэффициент перевода из технической системы единиц в СИ;

удельная поверхность насадки в единице объема, ; ; ;  (таблица 2.1. [1]);

Определяем расчетную поверхность насадки:

 м²

 м²

 м²

 м²

Рассчитываем объем насадки:

 

 м³

 м³

 м³

 м³

Определяем полную высоту насадки и удельное тепловое напряжение:

 

,

 

где площадь сечения аппарата, определяемая по формуле:

 

,

 

где количество подаваемой в аппарат воды, ;

плотность воды при t_ж=26,915^o С, с_ж=996,47 кг/м³;

 

 м²

 м²

м²

 м²

 

Тогда высота насадки определится:

 

 м

 м

 м

 м.

 

Определяем удельное тепловое напряжение:

 

,

 

По полученным данным строим графические зависимости поверхностного коэффициента теплообмена и полной высоты насадки КТУ от удельной поверхности насадки  и  (рис.4,5).

 

Рис.4. График зависимости K_F=f(f).

 

Рис.5 График зависимости H=f(f).

 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Целью гидравлического расчета является определение мощности, затрачиваемой на перекачивание газа через скруббер.

Продувание газа через КТУ связано с дополнительными затратами энергии. Для определения мощности, затрачиваемой на перекачивание газа, нужно подсчитать сопротивление тракта, которое зависит от типа насадки и гидравлического режима работы аппарата.

Н.М. Жаворонковым рекомендуется следующая формула для определения сопротивления сухой (неорошаемой) насадки:

 

,

 

где коэффициент сопротивления при прохождении газа через слой насадки;

 высота слоя насадки, м;

эквивалентный диаметр, м (табл.2.1. [1]);

скорость газа в свободном сечении насадки (действительная), м/с;

плотность газа при ⁰С,  кг/м³ .

Действительная скорость газа определяется по формуле:

 

 

где скорость газов (из конструктивного расчета);

свободный объем, м³/м³ (табл.2.1. [1]).

 м/с

 м/с

 м/с

м/с

По данным Н.М. Жаворонкова, для неупорядоченной насадки из колец (навалом) коэффициент сопротивления можно определить:

при

при ,

 

.

 

где динамическая вязкость газа при ⁰С, .

Так как , то

Сопротивление смоченной насадки всегда больше сопротивления сухой, вследствие уменьшения проходного сечения жидкостной пленки:

 

,

 

где коэффициент.

При орошении водой величина коэффициента  может быть найдена по приближенной формуле:

 

,

 

где u – плотность орошения,  (из конструктивного расчета).

Мощность, необходимая для продувания газа через КТУ определяется:

 

,

 

где объемный расход дымовых газов через КТУ,  м³/с;

КПД нагнетателя, принимаем 0,75.

 кВт

 кВт

 кВт

 кВт

По полученным значениям строим графическую зависимость N= f( f) (рис. 6).

 

 

Рис.6. График зависимости N=f(f).

 

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Целью экономического расчета является определение годового экономического эффекта и срока окупаемости дополнительных капвложений.

Увеличение коэффициента использования топлива котла при установке контактных теплоутилизаторов определяется:

 

,

 

где расход топлива, ;

количество теплоты, сэкономленное в КТУ,  Вт;

низшая теплота сгорания топлива.

 

,

 

где и т.д. – содержание горючих компонентов в газе, % по прил.8 [1].

Экономия первичного топлива при использовании уходящих газов котла определяется:

 

,

 

где число часов работы утилизационной установки в году, Т=7500 ч/год;

КПД котла, рассчитанный по высшей теплоте сгорания топлива.

 

 

 м³/год.

Годовая стоимость сэкономленного топлива определяется по формуле:

 

 

где прейскурантная цена топлива, определяемая по прил. 3 [1], ;

коэффициент инфляции,

 руб/год.

Дополнительные капиталовложения в КТУ:

 

,

 

где масса аппарата, принимается 500 кг на 1 м³ насадки:

цена 1 кг нержавеющей стали, ;

число скрубберов,

Годовые амортизационные отчисления от дополнительных капиталовложений:

Годовые дополнительные расходы электроэнергии:

 

 

где дополнительная мощность, необходимая для продувания газов через теплоутилизатор (из гидравлического расчета), кВт;

Годовая стоимость потребляемой электроэнергии определяется:

 

 

где тариф на электроэнергию, определяемый по прил.3 [1], ;

 

Итоговое снижение годовых эксплуатационных затрат

 

 

Годовой экономический эффект составит: