Располагаемая теплота состоит из низшей теплоты сгорания (см. выше), физической теплоты газообразной смеси, внесенной теплоты с подогретым от какого-либо источника воздуха вне воздухоподогревателя котла-утилизатора [6, 7]:

Физическая теплота смеси [6, 7]:

При этом теплота отходящих газов равна их энтальпии

По указанию [6] значением пренебрегают

Теплота, выносимая из котла с отходящими газами [6, 7]:

– энтальпия продуктов сгорания;

– энтальпия теоретического расхода холодного воздуха;

– коэффициент избытка воздуха в отходящих газах.

Теплота, вносимая с подогретым воздухом вне подогревателя равна разности энтальпий на входе в воздухоподогреватель и холодного воздуха [6, 7]:

Тепловыделение в топке котла-утилизатора [6, 7]:

Паропроизводительность котла-утилизатора без промежуточного перегрева пара (с отсутствием вторичного пароперегревателя) [6, 7]:

qх – потери от неполноты химических реакций сгорания

Рассмотрим расчет теплообмен на поверхностях нагрева

Для всех тепловых устройств, входящих в состав котла-утилизатора (пучков испарения, воздухоподогревателя, пароперегревателя, экономайзера) рассчитываются тепловые балансы и теплопередача.

Основание методики расчета [7] в том, что тепло от горячего теплоносителя равно теплу, полученному холодным теплоносителем за вычетом потерь.

Для тепловых устройств котла теплота, переходящая от горячего к холодному теплоносителю, определяется по формуле [6]:

При отсутствии присоса воздуха в газоход

Уравнение теплопередачи используется общеизвестное:

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по общеизвестным формулам.

Коэффициент теплоотдачи путем конвекции определяется также по известным формулам. Для его расчета находят критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.

Скорость продуктов сгорания [7]:

Коэффициент теплоотдачи излучением рассчитывается по известной формуле по закону Стефана-Больцмана.

По данным [7] расчет поверхности нагрева прекращается при условии невязки баланса:

В расчете котла-утилизатора находят паропроизводительность, температуру горения, коэффициент использования теплоты.

Энергетический баланс графически показывается на диаграмме потоков энергии Сенкея, графику цитируем по источнику [8]:

На диаграмме Сенкея ширина каждой полосы соответствует величине соответствующей энергии

4. Эксергетический анализ котла-утилизатора

Эксергией является максимальная работа, совершаемая системой при обратимом переходе в равновесие с окружающей средой [9]. По эксергии оценивается резервы утилизации вторичных энергоресурсов (пригодность энергии для совершения работы).

Эксергию делят на химическую и потоковую.

Химическая эксергия для газообразных углеводородов [6,7] определяется по низшей теплоте сгорания углеводородов:

Эксергия потока [6, 7], отнесенная к единице массы потока:

Баланс эксергии:

То есть состоит из химической эксергии отходящих газов, их физической эксергии, эксергии потока воздуха и эксергии питательной виды на входе в экономайзер [7]:

То есть состоит из эксергии потока перегретого пара, уходящих продуктов сгорания, продуктов неполного сгорания смеси в топке котла (эксергия химического недожога), несгоревшего топлива (эксергия физического недожога, для газообразных веществ равна нулю), потока теплоты наружу через стенки (наружное охлаждение).

Потери эксергии

складываются из потерь на необратимое горение и потерь на теплообмен.

Эксергетический КПД:

Диаграмма Грасмана-Шаргута показывает результаты эксергетического анализа. Графику диаграммы приводим по данным [7]:

Потоки эксергии показываются в виде полос, ширина которых соответствует процентному соотношению. Разность полос показывает потери эксергии [8].

5. Конструкция котлов-утилизаторов

Котлом называют комплекс устройств по получению пара или горячей воды [9].

По данным [10] существует несколько распространенных схем компоновки прямоточных котлов (компоновка учитывает взаимное расположение поверхностей нагрева и газохода):

– П-образная

– двухходовая П-образная

– Т-образная

– U-образная

– с топкой с инвентором

– башенная

П-образная компоновка считается наиболее распространенной [10].

В промышленных технологиях широко применяются котлы-утилизаторы, использующие для выработки пара теплоту отходящих газов, продуктов и др. [10].

С целью утилизации теплоты отходящих газов в технологии применяют котлы двух типов [10]:

– водотрубные радиационно-конвективные для утилизации теплоты высокотемпературных газов,

– газо- и водотрубные для утилизации теплоты низкотемпературных газов.

Приведем пакетно-конвективный котел, графику цитируем по [10]:

Приведенный котел применяется на производстве сажи. Производство сажи можно отнести к процессам переработки нефтепродуктов.

Отработанные газы сжигают в топке 1. После продукты сгорания проходят испаритель 2, 4, пароперегреватель 3, воздухоподогреватель 6, экономайзер 7. Испарительные секции имеют отдельные коллекторы на входе и выходе.

Процитируем графику котла для кокса [10]: