Расчет дымовой трубы

 

1. Принцип работы дымовой трубы

Для обеспечения процесса сгорания топлива в котлоагрегате необходимо обеспечить постоянную подачу воздуха в топку котла и отвод продуктов сгорания в окружающую среду. Внешняя сила, действие которой обеспечивает поступление воздуха в топочную камеру при одновременном движении газообразных продуктов горения по газоходам и дымовой трубе называется тягой. Различают искусственную и естественную тягу. Искусственная тяга обеспечивается дымосами, а естественная – дымовой трубой.

Действие дымовой трубы  основано на законе сообщающихся сосудов. Вес атмосферного воздуха (рис.1) больше веса такого же столба горячих продуктов  сгорания в дымовой трубе. Вследствие этого, наружный холодный воздух поступает  в топку, а горячие продукты горения  удаляются через дымовую трубу.

Рисунок 1 – Принцип  действия дымовой трубы

 

Тяга, создаваемая дымовой  трубой зависит от высоты трубы и  разности плотностей атмосферного воздуха и продуктов горения.

Естественная тяга будет  тем больше, чем ниже температура  атмосферного воздуха, выше температура  продуктов горения, барометрическое  давление и больше высота дымовой  трубы.

 

2. Выбор высоты дымовой трубы из условий  естественной тяги

Для котельной проектируется  обычно одна, общая для всех установленных котлов, дымовая труба. Дымовые трубы сооружаются по типовым проектам из кирпича или железобетона. Применение металлических дымовых труб диаметром больше 1 м допускается только при технико-экономической целесообразности такого решения.

Высоту дымовой трубы, необходимую для создания нормативной естественной тяги, определяют из условий равенства силы тяги и суммы сопротивлений, возникающих при движении газов по газоходам котлоагрегата и в дымовой трубе, кгс/м².

Необходимая сила естественной тяги дымовой трубы, кгс/м²:

 

где Н - высота дымовой трубы, м;

- плотности воздуха и газа при нормальных условиях, кг/м³;

- температура воздуха и средняя температура дымовых газов, °С;

 - минимальное барометрическое давление данного района, мм рт. ст.

Из данного выражения, при известной величине естественной тяги S, определяется высота дымовой трубы Н.

Окончательно высота дымовой  трубы выбирается из следующего ряда высот: 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150, 180 м.

 

3. Выбор высоты дымовой трубы из условий  рассеивания вредных примесей

В современных производственных и отопительных котельных дымовая  труба служит не для создания тяги, а для отвода продуктов сгорания на определенную высоту, при которой обеспечивается рассеивание вредностей до допустимых санитарными нормами концентраций в зоне нахождения людей. Поэтому высота дымовой трубы выбирается исходя из этого требования.

Определение минимальной  высоты дымовой трубы производится в следующей последовательности:

1. Определяется выброс  золы (г/с):

 

гдегде - расчетный часовой расход топлива всеми котлами, работающими на дымовую трубу, т/ч;

  - КПД золоуловителя, % (принимается в зависимости от его типа из табл. 3.1);

- потеря теплоты от механической неполноты горения, % .

Таблица 3.1 – КПД золоулавливающих устройств (по СНиП II-35-76)

Золоулавливающие устройства	КПД золоуловителя, %
	при слоевом сжигании топлива	при камерном сжигании топлива
Блоки циклонов Батарейные циклоны Батарейные циклоны  с рециркуляцией  Мокрые золоуловители  с низконапорными трубами Вентури Электрофильтры	85-90 85-92 93-95   - -	70-80 80-85 85-90   93-95 96-99

 

2. Определяется выброс  S0₂ (г/с):

 

Где - содержание серы в рабочей массе топлива, %;

  - молекулярная масса S0₂ и S, их отношение равно 2.

 

3. Определяется выброс  оксидов азота, рассчитываемый  по N0₂ (г/с)

 

Где - безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества сжигаемого топлива и способа шлакозолоудаления на выход оксидов азота, принимается по табл. 3.2;

- коэффициент, учитывающий конструкцию горелок, принимается для вихревых горелок , для прямоточных горелок ;

- степень рециркуляции продуктов сгорания или сушильного агента в процентах расхода дутьевого воздуха, при отсутствии рециркуляции ;

- коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих продуктов сгорания в зависимости от условий подачи их в топку, принимается по табл. 3.3;

  - коэффициент, характеризующий выход оксидов азота на 1 тонну сожженного условного топлива, кг/т, определяется в зависимости от номинальной и действительной паропроизводительности котла по формулам:

для котлов паропроизводительностью более 70 т/ч при сжигании газа и мазута во всем диапазоне нагрузок, а также для кот лов, сжигающих твердое топливо при нагрузках выше 75 % номинальной и температуре факела больше 1500 °С,

 

Для котлов паропроизводительностью менее 70 т/ч

 

Для водогрейных котлов

 

где - номинальная и действительная паропроизводительность котла, т/ч;

- номинальная  и действительная тепло-производительность  котла, Гкал/ч.

При сжигании твердого топлива  с нагрузками котла менее 75 % номинальной  в вышеуказанные формулы вместо D и Q подставляются 0,75D и 0,75Q. При сжигании твердого топлива с температурой факела ниже 1500 °С во всем диапазоне нагрузок вместо D и Q подставляются Р_н и Q_H.

Таблица 3.2 – Коэффициент  

Топливо	Содержание азота Nт, %
Природный газ Мазут при коэффициенте избытка воздуха в топочной камере: 1,05 1,05 Твердое топливо: Угли ангренский Б2, березовский Б2, назаровский Б2, ирша-бородинский, харанорский Б1, донецкий АШ, башкирский Б1, канско-ачинский,   горючие сланцы угли веселовский, богословский черемховский, сучанский, анадырский, донецкий Т, ПАШ, карагандинский ПрП, подмосковный Б2, львовско-волынский Г, егоршинский ПА, райчинский угли донецкий Д, Г, ГСШ, ПрПр, экибастузский СС, печорский Ж, кузнецкий ГРОК, южно-сахалинский угли кузнецкий Д, Г, 2СС, 1СС, интинский Д, печорский, томьусинский, фрезерный торф	-   0,3-0,6 0,3-0,6   1,0     1-1,4     1,4-2   2,0	0,85   0,8 0,7   0,55; 0,8     0,7; 1,0     1,0; 1,4   1,4; 2,0

 

Таблица 3.3 – Коэффициент  при рециркуляции

Способ ввода в топку  газов рециркуляции
При сжигании газа и мазута и вводе: в под топки (при расположении горелок на вертикальных экранах) через шлицы под горелками по наружному каналу горелок в воздушном дутье  в рассечку двух воздушных  потоков  При сжигании твердого топлива (tф > 1400 °С) и вводе: в первичную аэросмесь во вторичный воздух	0,002 0,015 0,020 0,025 0,030   0,010 0,005

 

4. Определяется диаметр  устья дымовой трубы (м)

 

где - объемный расход продуктов сгорания через трубу при температуре их в выходном сечении, м³/с (охлаждение продуктов сгорания в дымовой трубе не учитывается);

- скорость продуктов сгорания на выходе из дымовой трубы (принимается 20—30 м/с при искусственной тяге и высоте дымовой трубы до 100 м).

5. Определяется предварительная  минимальная высота дымовой трубы (м)

 

где - коэффициент, зависящий от метеорологических условий местности, составляет:

Для субтропической зоны Средней Азии        240

Для Казахстана, Средней Азии, Кавказа, Молдавии, Сибири, Дальнего Востока   200

Для Севера и  Северо-Запада Европейской части  СССР, Урала, Среднего Поволжья, Украины  160

Для центральной  части Европейской территории СССР и в областях со сходным климатом  120

 

- предельные допустимые концентрации S0₂ и N0₂, принимаются по табл. 3.4;

  - число дымовых труб одинаковой высоты, устанавливаемых в котельной;

- разность температуры выбрасываемых газов и средней температуры воздуха, под которой понимается средняя температура самого жаркого месяца в полдень, °С.

Таблица 3.4 – ПДК вредных  веществ в атмосфере населенных пунктов

Загрязняющее вещество	Предельная допустимая концентрация, мг/м3
	Максимально-разовая	Средне-суточная
Пыль нетоксичная Сернистый ангидрид Оксид углерода Диоксид азота Сажа Сероводород Бензопирен Пентоксид ванадия Фтористые соединения (по фтору) Хлор	0,5 0,5 3,0 0,085 0,15 0,008 - - 0,02 0,1	0,015 0,05 1,0 0,085 0,05 0,008 0,1 мкг/100м3 0,002 0,005 0,03

 

 

 

 

6. Определяются коэффициенты  и :

 

 

7. Определяется коэффициент m в зависимости от параметра

 

8. Определяется безразмерный коэффициент m в зависимости от параметра

при         ;

при     

при               

 

9. Определяется минимальная высота дымовой трубы во втором приближении

 

 

10. Если разница между и больше 5%, то выполняется второй уточняющей расчет

 

11. При рассчитанной  высоте дымовой трубы  определяется максимальная приземная концентрация каждого из вредных веществ (золы SO₂, NO₂)

 

 

 

где - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания золы в атмосферном воздухе, принимается равным 2 (КПД золоуловителя не менее 90 %) и равным 2,5 (КПД золоуловителя от 75 до 90 %).

12. Проверяется условие,  при котором безразмерная суммарная концентрация не должна превышать 1, т. е.

 

Если указанное условие  не соблюдается, следует увеличить  высоту дымовой трубы, при которой  безразмерная концентрация будет меньше или равна 1.

В соответствии со СНиП II-35-76 следует выбрать дымовую трубу  из кирпича или железобетона из следующего ряда диаметров выходного отверстия: 1,2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0; 6,6; 7,2; 7,8; 8,4; 9,0; 9,6 м. Высота дымовых труб должна приниматься 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150 и 180 м. Минимальный диаметр выходных отверстий кирпичных труб 1,2 м,  монолитных железобетонных - 3,6 м.

Во избежание проникновения  продуктов сгорания в толщу конструкций  кирпичных и железобетонных труб не допускается положительное статическое давление на стенки газоотводящего ствола. Для этого определяющий критерий рассчитывается по формуле:

 

где - коэффициент сопротивления трению;

 - постоянная конусность внутренней поверхности верхнего участка трубы;

- плотность атмосферного воздуха при расчетном режиме, кг/м³;

- динамический напор, создаваемый продуктами сгорания в выходном отверстии трубы, Па;

- плотность продуктов сгорания при расчетном режиме, кг/м³.

Поверочный расчет должен производиться для зимнего и  летнего расчетных режимов работы котельной. При этом . Если в результате расчета , следует увеличить диаметр трубы или применить трубу с внутренним газонепроницаемым стволом.

Подводящие газоходы в  месте примыкания к дымовой трубе  следует выполнять прямоугольного сечения.