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

Наибольшее отклонение происходит при направлении потока газов, перпендикулярном вертикальной траектории падения капли.

Для расчетов примем следующий объем капли:   vкапли = 0,04 мл = 4 ∙ 10-8 м3.

Считаем, что капля имеет форму шара. Объем шара определяется по формуле:

 

r и d – радиус и диаметр шара соответственно.

Из формулы (2.83) находим диаметр капли:

 

Плотность 2%-го раствора аммиака в воде при 20°С [12]:

 

Масса капли раствора:

                           (2.89)

Средняя температура камеры радиации (найдена по результатам  математической обработки температурного поля): tср = 984°С (1257 К).

Плотность дымовых газов при температуре tср:

 

Высота в плоскости падения капли аммиачной воды (по чертежу):   h = 4,2 м.

Длина камеры радиации (равна эффективной длине труб):   l = 11,6 м.

Живое сечение камеры радиации в плоскости падения капли:

 

Cмоченный периметр в  плоскости падения капли:

 

Эквивалентный диаметр камеры радиации в плоскости падения капли:

 

Вязкость дымовых газов рассчитаем по свойству аддитивности, так как их динамические коэффициенты вязкости отличаются незначительно:

 

где – динамическая вязкость i-того компонента дымовых газов при tср [13];

 – мольная доля i-того компонента дымовых газов.

Расчет вязкости дымовых газов приведен в табл.2.3. В расчете используются следующие свойства газов: mi – масса i-того компонента дымовых газов, образующаяся при сгорании 1 кг топлива (определены в расчете процесса горения); – молекулярная масса i-того компонента, кг/кмоль; νi – количество вещества i-того компонента, образующееся при сгорании 1 кг топлива, кмоль/кг.

Таблица 2.3

Расчет вязкости дымовых газов

Компонент	mi, кг/кг	, кг/кмоль	νi, кмоль/кг		, Па ∙ с	, Па ∙ с
CO2	2,637	44	0,060	0,062	6,4	0,396
H2O	2,364	18	0,131	0,136	3,8	0,516
SO2	0,0004	64	0,000006	0,000006	4,5	0,00003
O2	2,011	32	0,063	0,065	6,2	0,403
N2	19,986	28	0,714	0,737	5,3	3,909
Сумма	26,998	-	0,968	1,000	-	5,223

 

Линейная скорость дымовых газов в плоскости падения:

 

 - масса дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг;

B – расход топливного газа, кг/ч;

 

Критерий Рейнольдса [13]:

 

 

Сила сопротивления, возникающая при обмывании капли потоком дымовых газов, определяется по формуле Ньютона [14]:

z

z - коэффициент сопротивления, зависящий от критерия Рейнольдса:

• при Re < 2

z

• при 2 < Re < 500

z

• при 500 < Re < 200000    z
• при 200000 < Re < 2000000    z

В данном случае 500 < Re < 200000, поэтому коэффициент сопротивления равен 0,44.

Сила сопротивления по формуле (7.11):

 

В результате действия силы сопротивления дымовых газов капля получает ускорение и начинает двигаться в горизонтальной плоскости. Ускорение, сообщаемое капле, можно найти по второму закону Ньютона:

 

Время падения капли можно определить по известной формуле:

 

где g – ускорение свободного падения.

Тогда девиация капли от вертикальной траектории составит:

 

Следовательно, падающая капля аммиачной воды может отклониться от вертикальной траектории примерно на 2 см, что значительно меньше размеров выбранного испарительного устройства (60×60 см), значит, его можно использовать как испаритель аммиачной воды.

 

2.7.2. Расчет расхода  подаваемой аммиачной воды

Попав внутрь печи, капля аммиачной воды нагревается от своей начальной температуры (согласно эмпирическим данным около 70 оС) до температуры кипения 100°С, после чего начинает кипеть. Все время падения капля теряет свою массу за счет испарения. Прежде всего необходимо доказать возможность долетания капли до поверхности испарительного устройства, где будет происходить испарение аммиачной воды в объем камеры радиации.

Количество тепла, получаемого каплей за время падения:

 

 - степень черноты капли, (считаем, что излучаемое тепло полностью поглощается каплей);

 -  теплонапряженность   радиантных  труб,   Вт/м2  (определена   при  расчете камеры радиации печи П-1);

 

Масса капли, которая может испариться за время падения:

 

где - теплота испарения аммиачной воды, [12];

.

Масса капли после падения на испарительное устройство:

 

Тепло, необходимое для нагрева капли до температуры кипения:

 

 – теплоемкость аммиачной воды при 100°С (373 К);

 – теплоемкость аммиачной воды при 70°С (343 К);

согласно [12] 

 

Расчет показал, что за время падения капля получает настолько малое количество тепла, что не успевает ни испариться, ни даже нагреться. Следовательно, капля полностью долетит до испарительного устройства.

Испарительные устройства должны обеспечить испарение определенного количества аммиачной воды для восстановления окислов азота, поэтому необходимо проверить их испаряющую способность.

Площадь испарительного стола размером 60×60 см:

 

Количество теплоты, передаваемое столом аммиачной воде:

 

Масса испаряющейся аммиачной воды (испарительная способность стола):

 

Испарительная способность 5 столов, устанавливаемых в камере П12:

 

С другой стороны, для подавления оксидов азота необходимо определенное количество аммиачной воды, которое рассчитываем следующим образом.

Расход дымовых газов в печи П-1 на радиантную камеру П12:

 

Объем дымовых газов в П12:

 

Концентрация окислов азота в газах достигает 40 мг на кубометр, отсюда найдем массу образующихся окислов:

 

В процессе восстановления окислов протекает множество реакций, механизм которых до конца не изучен. Тем не менее, известно, что на восстановление 1 моля окислов тратится 2 моля аммиака. Отсюда находим количество аммиака:

 

 - молярная масса окислов азота (считаем как NO2), M = 46 г/моль;

 

Масса аммиака, необходимая для восстановления окислов:

= 158,738 мг/с.                               (2.115)

В пересчете на 2%-ную аммиачную воду:

 

Очевидно, что испарительные устройства обладают достаточной испарительной способностью, чтобы обеспечить испарение большего количества аммиачной воды, чем того требуется для восстановления. Следовательно, их можно использовать для данной цели.

Полагая, что расход аммиачной воды в камеру П11 печи П-1 незначительно отличается от расхода в П12, рассчитаем часовой и годовой расход аммиачной воды в печь П-1:

 

Объемный расход на П-1:

 

Годовой расход аммиачной воды на печь П-1:

 

где - эффективный фонд времени работы печи, 8580 ч [9];

 

В пересчете на аммиак годовой расход составит:

 

Таким же образом рассчитаем расход аммиачной воды на печь П-2.

Расход дымовых газов в печи П-2 на одну из радиантных камер по формуле (2.111):

 

Объем дымовых газов в одной радиантной камере по формуле (2.112):

 

Найдем массу образующихся окислов по формуле (2.113):

 

Определяем количество аммиака по формуле (2.114):

 

 - молярная масса окислов азота (считаем как NO2), M = 46 г/моль;

 

Масса аммиака, необходимая для восстановления окислов по формуле (2.115):

= 84,231 мг/с.

В пересчете на 2%-ную аммиачную воду по формуле (2.116):

 

Очевидно, что испарительные устройства в печи П-2 также смогут обеспечить испарение необходимого количества аммиачной воды, причем больше, чем того требуется для восстановления. Следовательно, их можно использовать для данной цели.

Полагая, что расход аммиачной воды в каждую камеру печи П-2 примерно одинаков, рассчитаем часовой и годовой расход аммиачной воды для данной печи по формуле (2.117):

 

Объемный часовой расход на П-1 по формуле (2.118):

 

Годовой расход аммиачной воды на печь П-1 по формуле (2.119):

 

где - эффективный фонд времени работы печи, 8580 ч [9];

 

В пересчете на аммиак годовой расход составит по формуле (2.120):

 

 

Выводы

Проведенный расчет испарительных устройств показал, что их можно использовать в печах П-1 и П-2 для испарения аммиачной воды. Также были рассчитаны необходимые расходы аммиачной воды на каждую из печей для подавления окислов азота:

• массовый расход аммиачной воды на печь П-1:  57 кг/ч (490 т/год);
• объемный расход аммиачной воды на печь П-1:   16 мл/с (0,058 м3/ч);
• массовый расход аммиачной воды на печь П-2:  30 кг/ч (260 т/год);
• объемный расход аммиачной воды на печь П-2:   8,5 мл/с (0,031 м3/ч).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.8. Проектный расчет  рекуператора на тепловых трубах  для печи П-1

2.8.1. Расчет числа  тепловых труб и количества  передаваемого тепла

Тепловые трубы, которые предполагается использовать в рекуператоре, имеют наружный диаметр dтр = 25 мм, толщину стенки 2 мм и длину 2 м, изготовлены из стали 20. Конструкция рекуператора предусматривает наличие стального листа с отверстиями для тепловых труб, расположенных в коридорном порядке. Рекуператор имеет ограниченные размеры, а именно ширину A = 2 м (по ширине борова), длину L = 5 м (по имеющемуся пространству для размещения рекуператора) и высоту 1,3 м (верхние части труб 1 м плюс 30 см до верха), поэтому необходимо подсчитать количество тепловых труб, которое возможно использовать в данном рекуператоре.

В качестве расстояния между осями труб и расстояния от крайних труб до краев листа примем удвоенный диаметр трубы: s = 2dтр = 0,05 м.

Число труб по длине рекуператора:

nL = L / s – 1 = 99.                                             (2.121)

Число труб по длине рекуператора:

nA = A / s – 1 = 39.                                            (2.122)

Общее число труб:

n = nL ∙ nA = 3861.                                             (2.123)

Температуру дымовых газов перед прохождением пучка тепловых труб планируется снижать до около 300°С посредством подачи в боров воздуха из окружающей среды. Количество подаваемого воздуха предполагается регулировать с помощью шибера, установленного на борове. Более высокая температура может быть опасна для эксплуатации рекуператора, так как повышение давление водяного пара внутри труб выше допустимого приведет к разрушению металла труб.

Изменение состава дымовых газов при разбавлении воздухом не учитываем.

Согласно [8] тепловая труба диаметром 25х2, длиной 2 м, изготовленная из стали 20 при заполнении ее теплоносителем (водой) в достаточном количестве (100 мл) может передавать тепловой поток в количестве 355 Вт при температуре нагревательного элемента около 300°С. Рассчитаем количество теплоты, передаваемое всеми тепловыми трубами рекуператора:

Qтр = n ∙ 355 = 1,371 ∙ 106 Вт.                                       (2.124)

С другой стороны, количество тепловых труб ограничено следующим условием: во избежание конденсации влаги на трубках и сернокислой коррозии охлаждение дымовых газов должно происходить до температуры на 10-15°С выше их точки росы. Для используемого топливного газа с содержанием 0,01%  H2S точка росы равна 112°С [7], следовательно, предельная температура охлаждения газов составляет в среднем 125 °С.

Определим теплоемкость дымовых газов при температурах 300°С (573 К) и 125°С (398 К):

• теплоемкости дымовых газов при 573 К [11]:

 

 

• средняя теплоемкость дымовых газов при температуре 573 К находим по формуле (2.4):

 

 

• теплоемкости дымовых газов при 398 К [11]:

 

 

• средняя теплоемкость дымовых газов при температуре 398 К находим по формуле (2.4):

 

 

Допустимое количество тепла, которое могут принять тепловые трубы:

Qдоп = Gдг ∙ B ∙ (C573 ∙ 573 – C398 ∙ 398),                        (2.125)

где Gдг – масса дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг;

B – расход топливного газа, кг/ч.

Qдоп = 2,598 ∙ 108 кДж/ч = 7,217 ∙ 107 Вт.