Дооборудования печей П-1 и П-2 установки АВТ-1

Тепло, передаваемое в камере радиации:

Qр = 0,77Qпр = 7,169 ∙ 106 Вт = 2,581 ∙ 107 кДж/ч.                 (2.80)

Тепло, передаваемое в камере конвекции:

Qk = Qпр - Qр = 2,142 ∙ 106 Вт = 7,710 ∙ 106 кДж/ч.                (2.81)

Полезное количество тепла:

Qпол = Qр + Qk = 3,352 ∙ 107 кДж/ч.                              (2.82)

Находим часовой расход топлива по формуле (2.33):

B = 946 кг/ч.

Потери тепла в окружающую среду по формуле (2.34):

qпот = 3164 кДж/ч.

Вычисляем коэффициент полезного действия печи по формуле (2.35):

 

Плоская поверхность, эквивалентная поверхности радиатных труб для одного ряда по формуле (2.36):

 

Фактор формы, учитывающий неравномерность облучения поверхности труб и их затенение друг другом определяется по графику Хоттеля [10]:

К = 0,92.

Эффективную лучевоспринимающую поверхность находим по формуле (2.37):

Hл = 287,6 м2.

Суммарная неэкранированная поверхность кладки по данным о конструкции печи П-2:

F = 87,2 м2.

Степень экранирования кладки по формуле (2.38):

.

Максимальная расчетная температура горения вычисляется при средней теплоемкости продуктов горения по формуле (2.39):

.

Общее количество тепла, вносимого в печь по формуле (2.40):

4,741 ∙ 107 кДж/ч = 11,3 Гкал/ч.

Рассчитанное полезное тепло по формуле (2.41):

3,386 ∙ 107 кДж/ч = 8,1 Гкал/ч.

Расхождение между фактическим и расчетным полезным теплом определяется по формуле (2.42):

 

Степень черноты поглощаемой среды εV вычисляем по формуле (2.43):

εV = 0,473.

Функция y(t), используемая в формуле (2.44), в среднем равна 0,85. Коэффициент b вычисляем по формуле (2.44):

b = 0,45.

Таким образом, HS по формуле (2.45) составит:

 

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи к радиантным трубам по формуле (2.46). Для этого задаемся средней температурой наружной поверхности радиантных труб (с последующей проверкой): tcт = 300°С (573 К). Коэффициент теплоотдачи:

 

Величина температурной поправки теплопередачи в топке по формуле (2.47):

.

Для расчета температуры на перевале необходимо вычислить характеристику излучения bS (формула (2.49)) и аргумент излучения x (формула (2.48)):

x = 2,377;  

Тогда расчетная температура перевала tпр составит (формулы (2.50) и (2.51)):

 

Невязка по температуре перевала (формула (2.52)):

 

Коэффициент прямой отдачи рассчитываем по формуле (2.53):

 

Количество тепла, полученного радиантными трубами (формула (2.54))::

 

Невязка по количеству тепла по формуле (2.55):

 

Теплонапряженность радиантных труб (по формуле (2.56)):

 

2.4.4. Расчет камер конвекции

Рассчитаем массовый расход дымовых газов по формуле (2.57):

 

Среднее живое сечение камеры конвекции: fк = 7,8 м2.

Массовая скорость дымовых газов по формуле (2.58):

u = Gк / fк = 0,91 кг/(с ∙ м2) .

Коэффициент теплоотдачи конвекцией можно определить по формуле (2.60), если известна величина Е, которая зависит от средней температуры дымовых газов tср (формула 2.59):

E = 22,042;

 

Для шахматного расположения пучка труб коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов приближенно может быть рассчитан по формуле Нельсона (2.61):

αр = 12,134 Вт/(м2 ∙ К).

Суммарный коэффициент теплоотдачи от газа к поверхности труб с учетом 10% добавки от излучения стенок камеры составит (формула (2.62)):

αк = 1,1(αр + αк) = 30,383 Вт/(м2 ∙ К).

Коэффициент теплопередачи k приблизительно равен αк:

k = αк = 30,383  Вт/(м2 ∙ К).

Энтальпия сырья на выходе из камеры конвекции (по формуле (2.64)):

 

этому значению соответствует температура tк = 309°С [11].

Средняя движущая сила процесса теплопередачи определяется по формуле (2.65):

 

Необходимая поверхность теплообмена конвективных труб по формуле (2.66):

 

Невязка по поверхности теплообмена по формуле (2.67):

 

Теплонапряженность конвективных труб по формуле (2.68):

 

Поверочный расчет печи П-2 показал, что невязки по конвективной поверхности теплообмена, теплоте, передаваемой в камере радиации, температуре перевала и полезному количеству тепла находятся в пределах 10%, что свидетельствует об удовлетворительной работе печи.

 

2.5. Результаты  исследования и математической обработки температурного поля радиантных камер печей П-1 и П-2

С целью нахождения степени подавления окислов азота в дымовых газах по кинетическому уравнению данного процесса возникла необходимость в уравнении, которое описывало бы температуру в плоскости подачи аммиачной воды. В связи с этим было проведено исследование температурного поля печей П-1 и П-2 по следующей методике.

Температуру дымовых газов в радиантных камерах определяли зондовым методом. В качестве датчика выступала  гибкая хромель-алюмелевая термопара, имеющая  длину 6 м., при диаметре проводов 1,2 мм. Производитель термопары – компания «РЭЛСИБ» (г. Новосибирск), представившая гарантии по чувствительности  прибора, и соответствие  материала термопары  стандартной таблице калибровок. Тип термопары: ТП ХА(К)-К12.н.1,2×6000. В качестве  измерительного  прибора был использован термометр контактный, цифровой  с зондом типа ТК-5.09/3ВТ9, заводской № 733876/746821,  свидетельство о поверке № 02-9205/03, действительное до 19 сентября 2008 г.

Термопара была помещена в металлический чехол длиной 5 м., чувствительный элемент термопары- шарик спая  проводов- был открытым. Измерение температур  проводили при введении шарика термопары через «гляделки»  печей  в  зону  измерения. При этом  длительность замера в каждой  точке определялась  динамикой  прогрева или охлаждения шарика, и составляла примерно 2-3 мин. За это время  температура шарика  практически  сравнивалась с  равновесной температурой окружающей среды, что  проявлялось  прекращением изменений  показаний  прибора  в данной  точке.

Замеры проводили при  различной глубине  погружения термопары : 1,2,3,4 м (рис.2.1). Плоскости замеров обозначены как Pijg, где i-индекс печи, j- индекс секции, g- индекс глубины  погружения термопары (м). Плоскости измерения  со стороны колонн установки обозначены дополнительным  индексом  “k”:   Pijkg.  На диаграммах и  в  таблицах  “x” соответствует расстоянию от перевальной стенки, а  “y”- высоте  точки над нижним  экраном. Результаты исследований приведены в приложении 1.

Рис.2.1. Схема исследования температурного поля печей

Результаты измерения температур по плоскостям были обработаны ООО «НПЦ «Матрица» по методу МНК наиболее подходящими уравнениями, имеющими наибольший коэффициент корреляции, и выбранные из почти полумиллиарда уравнений  различного  типа. В некоторых случаях выбор уравнения  определялся критерием его относительной  простоты, при условии достаточного коэффициента корреляции. Результаты математической  обработки  температур по плоскостям  представлены в виде  трёхмерных диаграмм  и  таблиц, следующих за этими диаграммами. В таблицах приведены  величины отклонения  рассчитанных и экспериментальных значений температур. В среднем погрешность аппроксимации лежит в пределах ниже 1%. Результаты математической обработки приведены в приложении 2.

Вторым этапом расчетов является  определение температурного поля на плоскостях, параллельных  перевальной  стенке, поскольку техническое решение  по вводу  реагента  предусматривает  движение газообразного аммиака именно по плоскости, параллельной  перевальной  стенке снизу вверх  до перевала, и далее в конвекционную  камеру. На рис. 2.1 в качестве примера изображена такая плоскость в  камере П12, обозначенная P12.3.97. В этом обозначении  число 3,97 обозначает расположение плоскости преимущественного среднего движения газов на расстоянии 3,97 м. от перевальной  стенки. Параметр “x” – в уравнениях этих файлов означает расстояние от «гляделок», расположенных со стороны  дымовой  трубы.  Результаты расчетов приведены в приложении 3.

По физическим причинам, измерения в секциях П21k  и  П22k  проведены только по двум  и  одной  плоскостям соответственно,  поэтому  расчет температур на плоскости движения  реагента в последнем случае выполнен из предположения о симметричности  данных  П22k и П22.

В общем виде уравнение температуры в плоскости P12.3.97 выглядит следующим образом:

z = a + bx + cy + dx2 + ey2 + fxy + gx3 + hy3 +ixy2 + jx2y,                  (2.83)

где z – температура, °С;

x – расстояние от гляделки, м;

y – расстояние от бокового экрана, м;

a, b, c, d, e, f, g, h, i, j – коэффициенты, вычисленные по МНК:

a = 794,49679;   b = –60,680059;  c = 31,857148;   d = –5,9912351;   e = –26,561634;       f = 38,687377;   g = 1,0502449; h = 2,8952454;   i = –0,27699437;   j = –2,8134694.

С помощью данного уравнения рассчитана степень очистки дымовых газов от оксидов азота. Уравнение также использовалось для нахождения средней температуры в плоскости подачи аммиачной воды, необходимой в расчете испарительного устройства:   tср = 984°С (приложение 4).

 

 

2.6. Расчет степени подавления окислов азота в радиантной камере П12

По результатам математической обработки получено уравнение (2.83), описывающее зависимость температуры в камере П12 (рис.2.1) от расстояния до бокового экрана и от гляделки. С целью нахождения степени подавления окислов азота в дымовых газах в данной камере проведен расчет кинетики процесса с помощью программы Mathcad (приложение 4).

В ходе кинетического расчета  вычислена средняя глубина очистки  для всех пяти  инжекторов (ING =5).   Величины хi – это расстояния от гляделок (у трубы) до центров  испарительных устройств, м. Высота над подом обозначена через «Н».

 С1 – исходная концентрация  окислов азота, моль/м3. Расчет проведен для двух концентраций, наиболее характерных для состава дымовых газов – 30 мг/м3 (6,5 ∙ 10-4 моль/м3) и 40 мг/м3 (8,7 ∙ 10-4 моль/м3). Вычисление степени очистки выполнено для  предъэкспоненциального множителя (k122 = 93,089) и энергии активации (Е122 = 1179), соответствующих двукратному  избытку аммиака и его концентрации в растворе 2% (по данным кинетических экспериментов).

В кинетическом расчете использовалась средняя вертикальная составляющая скорости движения дымовых газов в камере радиации, рассчитанная следующим образом:

• объем дымовых газов из камеры П12 (необходимые данные взяты из поверочного расчета печи П-1):

 

 - массовый расход газов из обеих радиантных камер, кг/с;

 - температура перевала, К;

 - плотность дымовых газов про нормальных условиях, кг/м3;

 

• объем камеры П12 (рассчитан по чертежу):

 

• среднее время нахождения газов в камере:

 

• средняя вертикальная составляющая скорости движения дымовых газов в камере радиации:

 

где - высота перевальной стены, 4,4 м;

v = 0,343 м/с.

Исходные данные кинетического расчета:

• ING =5;
• хi = 1,933 м;  3,867 м;  5,8 м;  7,733 м;  9,667 м;
• H = 4,75 м;
• v = 0,343 м/с;
• С1 = 6,5 ∙ 10-4 моль/м3 ;   8,7 ∙ 10-4 моль/м3.

 

Результаты кинетического расчета:

1. При начальной концентрации окислов азота в дымовых газах 30 мг/м3 степень их очистки составляет 59,7%;
2. При начальной концентрации окислов азота 40 мг/м3 степень очистки составляет 66,5%.

 

 

 

 

 

2.7. Проектный расчет  системы подавления окислов азота  в печи П-1

Принцип работы системы подавления окислов азота в печи П-1 состоит в восстановлении оксидов азота, образующихся при сгорании топлива и воздуха в радиантных камерах печи, 1-2%-ным раствором аммиака в воде, при этом подача аммиачной воды осуществляется с помощью инжекторов, вмонтированных в кровлю печи. Над каждой радиантной камерой планируется разместить по 5 инжекторов. Основной сложностью является равномерное распределение аммиака в объеме камеры, что является важным условием для протекания реакции, учитывая весьма малую концентрацию окислов азота в дымовых газах (до 40 мг/м3). В связи с этим планируется на поду печи П-1 расположить испарительные устройства, по 5 штук в каждой камере, по одному под каждым инжектором. Испарительное устройство представляет собой стол с загнутыми краями, расположенный на высоте 150 мм над трубами подового экрана, имеющий размеры 60×60 см. В проектном расчете необходимо доказать возможность применения данных испарительных устройств и рассчитать расход подаваемой аммиачной воды.

Расчет производится для радиантной камеры П12.

 

2.7.1. Расчет девиации  падающей капли от вертикальной  траектории

Падение капли аммиачной воды в радиантной камере сопровождается сдуванием потоком дымовых газов, в результате чего траектория падения искривляется. Для реализации оптимального режима испарения воды с пода печи необходимо установить  отбортованные плоские испарители ("столы"), с которых будет происходить испарение. Задачей данного расчета является определение возможности использования столов с заранее выбранной конструкцией, т.е. нахождение максимальной величины девиации капли от вертикальной траектории падения.