Поверочный теплотехнический расчет котла-утилизатора

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Нижегородский Государственный Технический Университет

Дзержинский Политехнический Институт

 

Кафедра «Процессы и  аппараты химической и пищевой технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Тема «Поверочный теплотехнический расчет котла-утилизатора»

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель:

 

Студент:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дзержинск 2012 г.

 

Аннотация

 

Цель данной курсовой работы - проведение поверочного теплотехнического расчета котла-утилизатора для конкретного энерготехнологического процесса, а именно, производства слабой азотной кислоты, риформинга, производства серной кислоты и др. В задании к курсовой работе указывается: количество и состав технологических газов, подлежащих охлаждению в КУ и их начальная температура, а также температура и давление вырабатываемого насыщенного или перегретого водяного пара.

Первый этап работы подбор КУ с учетом характера соответствующего химического производства и задания курсового проекта. Котельный агрегат без топочного устройства представляет собой, в сущности, специфический вариант теплопередающего аппарата. В основе расчета КУ в курсовой работе лежит тепловой расчет. В основе же расчета теплопередающих поверхностей лежат два уравнения- баланса энергии (теплового баланса) и теплопередачи.

Кроме поверочного теплового расчета  КУ выполняется расчет тепловой изоляции котла и гидравлический (аэродинамический) расчет со стороны газов; эскиз КУ со спецификацией его основных элементов; подбор насоса и емкости для питательной  воды.

Поверочный тепловой расчет проводится для конкретного КУ с известными величинами поверхностей нагрева. Гидравлический расчет проводится с целью определения  гидравлического сопротивления. Результат  выполнения курсовой работы- установление возможности использования выбранного КУ без переделок и доработок в данном случае ( в соответствии с заданием курсовой работы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

Аннотация	1
Введение	3
1. Исходные данные	4
2. Описание схемы КУ	5
3. Техническая характеристика КУ	6
4. Тепловой баланс	7
5. Тепловой расчет	9
расчет испарительной поверхности
6. Гидравлический расчет	13
7. Расчет толщины тепловой изоляции	15
8. Подбор вспомогательного оборудования	16
9. Подбор конструкционных материалов	17
10. Пуск и остановка КУ	18
11. Выводы	20
Паровой реформинг и конверсия  CO (принципиальная схема)	21
Принципиальная схема котла-утилизатора  типа Н-433	22
Литература	23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Химическая промышленность-одна из энергоемких отраслей народного хозяйства. На ее долю приходится 4,7 % промышленного потребления электроэнергии и 6 % всей вырабатываемой теплоты. Из общего расхода топлива в химической промышленности только 27 % используется в качестве сырья, а 73 % – на энергетические нужды. Соответственно большой роли энергетики в промышленном производстве современные промышленные предприятия имеют сложные и многообразные энергетические системы, состоящие из комплексов установок и устройств, предназначенных для сжигания топлива и производства, распределения и потребления электроэнергии и т.д.

Одно из важнейших направлений повышения энергетической эффективности процессов химической технологии заключается в наиболее рациональном использовании тепловой энергии высокотемпературных газов, получающих на различных стадиях технологического процесса и являющихся, по сути вторичными энергоресурсами (ВЭР). Простой способ использования этой энергии представляет собой применение котлов-утилизаторов (КУ), в которых за счет охлаждения технологических газов производится насыщенный или перегретый водяной пар. В дальнейшем этот пар используется на другой стадии данного технологического процесса, либо в другом процессе, либо поступает в общезаводскую сеть.

Котлы-утилизаторы химических производств  могут быть газотрубного (охлаждение технологических газов идет внутри труб) и водотрубного (внутри труб движется вода и пар) типа. Они также могут дополняться экономайзерами (для подогрева питательной воды) и пароперегревателями (для перегрева насыщенного пара) различных конструкций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные

 

 

 

Объем газов, м3/ч	Давление  газов, МПа	Температура газов, °С		Состав газов, %
		начальн.	конечн.	Н2	N2	СO	СO2	СН4	Н2О
12600	0.38	550	330	27.3	11.7	9.6	1.1	0.4	49.9

 

 

 

 

 

Источник газа: Конвертор СО первой ступени

 

 

 

 

Параметры пара
Давление пара, МПа	Температура, °С
1.4	194

 

 

 

 

По характеру источника газа, расходу и составу газовой  смеси,  температуре газов на входе  в котел-утилизатор, а также по давлению и температуре вырабатываемого насыщенного пара выбираем по каталогу котел-утилизатор Н-433 и включаем его в технологическую линию конвертора  СО первой ступени.

 

 

 

 

 

 

2. Описание схемы котла–утилизатора

Котел-утилизатор типа Н-433 предназначен для использования тепла конверторных газов. Разработан для установки в закрытом помещении. Котел – газотрубный, с естественной циркуляцией, вертикальный, двухкорпусной, с вынесенным барабаном-паросборником. Внутренний диаметр барабана испарительной поверхности – 1580 мм, толщина стенки обечайки – 10 мм, днищ – 20 мм.

Газ проходит по 1184 дымогарным трубам (по 592 в каждой поверхности) диаметром 38×3 мм. Подвод газов нижний. Оба барабана испарительной поверхности установлены  под углом 10° к вертикали. К  каждому барабану приварены входная и выходная газовые камеры, а также кронштейны, на которые опирается барабан-паросборник внутренним диаметром 1200 мм, толщиной стенки 16 мм. Последний изготовлен из стали 20 К. Барабан-паросборник имеет внутрибарабанное устройство в виде дырчатого листа и жалюзи.

Входная и выходная газовые камеры барабана имеют только наружную теплоизоляцию. Котел снабжен необходимой арматурой, устройством для отбора проб пара и воды, контрольно-измерительными приборами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Техническая характеристика КУ

 Н-433

 

Паропроизводительность, т/ч	9.272
Давление насыщенного пара, МПа	0.8
Температура насыщенного пара, °С	194
Температура газов на входе в  КУ, °С	550
Температура газов на выходе из КУ, °С	330
Расход газов через КУ, м3/ч	12600
Испарительная поверхность нагрева, м2	433
Число дымогарных труб, шт.	1184
Габаритные размеры, м
длина	6.2
ширина	4.0
высота	6.3
Вес металлической части котла  с арматурой, т	22.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Тепловой баланс

Изменение энтальпии газов обусловлено только изменением температуры газовой смеси по мере движения через котел–утилизатор.

4.1 Состав газовой смеси на выходе из КУ

Компонент	Объем, м3/ч	Масса, кг/ч	Количество,  кмоль/ч	Объемная доля, ri,%(об)	Массовая доля,gi,%(мас)
Н2	3439.8	309.2	154.6	27.3	3.12
N2	1474.2	1844.2	65.86	11.7	18.61
СO	1209.6	1169.7	41.77	9.6	11.8
СO2	138.6	273.0	6.2	1.1	2.76
СН4	50.4	36.3	2.3	0.4	0.37
Н2О	6287.4	6276.1	348.7	49.9	63.3
Всего	12600	9908.5	619.43	100	100

 

 

4.2 Уравнение теплового баланса

 

  объемные теплоемкости исходной смеси газов, средние в интервале температур от 0 °С до t₂ и от 0 °С до t₁, соответственно, КДж/м^3.К

объем газов на входе в КУ при  н.у.

По данным [1], стр. 40-41 находим

Н₂:

N₂:

СO:

СO₂:

СН₄:

H₂O:

При °С

Н₂:

N₂:

СO:

СO₂:

СН₄:

H₂O:

Примем предварительно температуру  газовой смеси на выходе из КУ °С

Н₂:

N₂:

СO:

СO₂:

СН₄:

H₂O:

4.3 Расчет паропроизводительности D, т/ч

 

тепловые потери

h_нп–энтальпия насыщенного пара ( Р=1.4 МПа, Т=194°С), КДж/кг

h_пв–энтальпия питательной воды, КДж/кг

 КДж/ч

По данным [1], стр. 341 находим, что при Р=1.4 МПа и Т=194 °С

энтальпия h_нп=830 КДж/кг

КДж/кг

кг/ч=9.272 т/ч

Из технической характеристики находим D_ном=9.4 т/ч

< 2%

Принимаем рабочую паропроизводительность D=9.272 т/ч = 2.57 кг/с

5. Тепловой расчет

Расчет испарительной  поверхности.

5.1 Температура газовой смеси на входе в испарительную поверхность

Т₁=550 °С=823 К

5.2 Температура газовой смеси на выходе из испарительной поверхности (принимаем с последующим уточнением)

Т₂=330 °C=603 К

5.3 Средняя температура газовой смеси

°C =713 К

5.4 Действительный расход газов

параметры газовой смеси при  н.у.

параметры газовой смеси при  рабочих условиях

5.5 Живое сечение для прохода газов

 где

число труб испарителя; внутренний диаметр трубы, мм

5.6 Средняя скорость газовой смеси

5.7 Коэффициент конвективной теплоотдачи

 [4], стр. 206

коэффициент теплопроводности газовой  смеси, Вт/м^.К

коэффициент кинематической вязкости смеси, м²/с

диаметр трубы, м

коэффициенты, учитывающие геометрические характеристики труб; принимаем С_z=1.0, C_s= 0.9 [2], стр. 199

Pr- критерий Прандтля,

удельная теплоемкость смеси, КДж/кг^.К

мольная теплоемкость компонента смеси, КДж/кмоль^.К

мольная( молярная) масса смеси, кг/кмоль

 коэффициент динамической  вязкости смеси, Па^.с

, плотность газовой смеси, кг/м³

По данным [3], стр. 511, находим КДж/кмоль^.К, при 440 °С

 

 

По данным [3], стр. 539 находим Па^.с, при 440 °С

 

 

По данным [3], стр. 530 находим  , при 440 °С

 

 

 

5.8 Коэффициент теплоотдачи излучением

, где [6], стр.19

–средняя температура газовой  смеси, К

температура стенки аппарата со стороны  пара, К;

 температура насыщенного пара, К

излучательная способность абсолютно черного тела

приведенный коэффициент теплового  излучения системы излучающий газ-трубка; коэффициент излучения газовой среды [6],стр. 19

где kps–суммарная оптическая толщина излучающего слоя газа [6], стр.19

где р–давление газовой смеси, МПа; s–эффективная толщина излучающая слоя газа, м. [6], стр.19

коэффициент ослабления лучей газовой  средой. [6], стр. 19

объемная доля трехатомных газов

 [6], стр.20

 

(м^.МПа)^-1

5.9 Коэффициент теплоотдачи от газов к стенки трубы

где

  коэффициент использования поверхности [4], стр.202

5.10 Коэффициент теплопередачи

 [2], стр. 201

коэффициент тепловой эффективности  поверхности нагрева

5.11 Температурный напор

5.12 Тепловосприятие испарительной поверхности по уравнению теплопередачи

где F–поверхность теплопередачи, м²

5.13 Невязка теплового расчета и теплового баланса:

%= %=0.98%(<2%)

Таким образом, теплопередающая поверхность КУ обеспечивает передачу тепла от охлаждаемой газовой смеси, рассчитанного по тепловому балансу и образование насыщенного пара заданных параметров. Согласно тепловому расчету температура газовой смеси на выходе из КУ составляет:

Т₂=330 °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Гидравлический (аэродинамический) расчет

Гидравлическое сопротивление  обусловлено сопротивлением трения и местными сопротивлениями, возникающими при изменении скорости потока газа по величине и направлению:

, где

потери давления на преодоление  сопротивление трения при прохождении  газового потока через испарительную  поверхность, Па

потери давления на преодоление  местных сопротивлений, Па

6.1 Потери давления на сопротивление  трения

6.1.1 Испарительная поверхность

, где

коэффициент трения; длина и эквивалентный диаметр трубы, м; скорость газового потока, м/с; плотность газового потока, кг/м³

м, м (из схемы КУ)

– турбулентный режим

относительная шероховатость труб

Для стали 20 (материал труб) принимаем  [5], стр. 9

 [5], стр. 9

С учетом двух испарительных поверхностей

 

 

6.2 Потери давления  на местные сопротивления

, где 

сумма коэффициентов местных  сопротивлений

средняя скорость газового потока, м/с

средняя плотность газового потока, кг/м³

Местные сопротивления:

вход в трубное пространство; выход из трубного пространства;

поворот на 10°; –внезапное сужение; внезапное расширение;

Принимаем следующие значения коэффициентов  местных сопротивлений [5], стр.9

С учетом двух испарительных поверхностей

6.3 Общие потери давления на  гидравлическое сопротивление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Расчет толщины тепловой  изоляции

Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности аппарата в окружающую среду:

, где

коэффициент теплоотдачи от внешней  поверхности теплоизоляционного материала  в окружающую среду, Вт/м^2.К

 [5], стр. 177

температура изоляции со стороны  окружающего воздуха вблизи аппарата; в соответствии с санитарно-техническими нормами принимаем °С

температура окружающей среды (воздуха). Так как компоновка котла закрытая, принимаем среднюю температуру воздуха в течение года °С

температура изоляции со стороны  аппарата

коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/м^.К

По предельно допустимой температуре использования (до 600°С), а также по технико–экономическим показателям (расход материала, цена, легкость монтажа и эксплуатации, длительный срок службы и т.п.) в качестве теплоизоляционного материала выбираем минеральную вату с

7.1 Толщина тепловой изоляции входной газовой камеры:

Принимаем °С

7.2 Толщина тепловой изоляции испарительного барабана:

Принимаем °С- температура греющего пара

7.3 Толщина тепловой изоляции выходной газовой камеры:

Принимаем °С

8. Подбор вспомогательного  оборудования

8.1 Подбор насоса для питательной  воды

Для подачи питательной воды устанавливаем  насос, который подбираем по производительности Q, м³/с и напору Н, м.вод.ст.

8.1.1 Производительность

, где производительность, кг/с; плотность воды при н.у., кг/м³

8.1.2 Напор

 [5], стр. 15

Р₂–давление пара в котле, Па

Р₁–давление пара в емкости, Па

Н_г–геометрическая высота подъема жидкости, м.вод.ст.

h_п–потери напора на гидравлическое сопротивление, м.вод.ст.

Таким образом выбираемый насос должен обладать производительностью

Q>0.94^.10^-2 м³/с и развивать напор H>77.1 м.вод.ст. Указанным требованиям удовлетворяет насос Х 90-85 [5], стр.15

Техническая характеристика насоса Х 90-85

Q=2.5^.10^-2 м³/с Н=85 м.вод.ст. n=48.3 c^-1

Для регулирования производительности насоса на нагнетательном трубопроводе устанавливаем регулирующий вентиль.

8.2 Подбор емкости для питательной  воды 

8.2.1 Объем емкости

, коэффициент заполнения емкости

Согласно ГОСТ 13372-78 выбираем емкость  с  12.5 м³

8.2.2 Диаметр D,мм и высота H,мм емкости

, , , 2.3=3.0 м

Согласно ГОСТ 9617-76 выбираем емкость с D= 2400 мм и H=3000 мм

 

9. Подбор конструкционных  материалов

Основными конструкционными материалами  элементов котла являются углеродистая и легированная стали. Условия работы металла котла различны. По ходу газового потока тепловые нагрузки поверхностей нагрева изменяются. Максимальное их значение имеет место в испарительных поверхностях нагрева и пароперегревателях. Элементы каркаса котла несут значительные статические нагрузки. Поверхности нагрева омываются агрессивными продуктами сгорания топлива, содержащими O₂, CO₂, SO₂, SO₃, NO₂, в потоке которых при сжигании твердого топлива находятся частицы шлака и золы. В результате возникает коррозионные явления в металле, а также происходит истирание конвективных поверхностей нагрева твердых частицами уноса. В соответствии с указанными условиями работы металла элементов котла к металлу предъявляются следующие основные требования: высокие механические характеристики–прочность, пластичность, вязкость, твердость; стабильность структуры и механических характеристик при работе с высокими нагрузками и высокой температурой в течение длительного времени; высокая сопротивляемость воздействию агрессивных сред.

Поэтому для труб испарительной  поверхности выбираем материал –  сталь 20. Материал стенок днищ и обечайки испарительного барабана – сталь 20К. Материал емкости питательной воды – сталь 20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Пуск и остановка  котла–утилизатора

Эксплуатация КУ должна осуществляется в полном соответствии с действующими эксплуатационными инструкциями и режимными картами с тем, чтобы обеспечить безопасную, надежную и экономичную работу КУ с выработкой пара требуемых параметров, горячей воды или другого теплоносителя. При этом необходимо учитывать особенности и требования к проведению технологического процесса (температурный уровень, физические и химические свойства отходящих газов и их температура). Эксплуатация КУ производится в строгом соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов». Эксплуатация КУ разделяется на следующие периоды: подготовка и пуск в работу, останов работающего КУ, содержание в нерабочем состоянии, ремонт.

При подготовке КУ к пуску после  окончания монтажа или капитального ремонта необходимо произвести тщательный внутренний и наружный осмотр. Перед началом внутреннего осмотра барабана и камер следует проверить наличие заглушек на паровых, питательных и продувочных линиях. Внутренний осмотр проводится для проверки отсутствия в барабане, сепарационных устройствах, а также в камерах коррозии и других загрязнений, состояния и надежности крепления сепарационных устройств и других элементов оборудования. После внутреннего осмотра и закрытия лазов и люков все установленные заглушки снимают.

При наружном осмотре необходимо убедиться  в том, что на фланцах установлены все шпильки; все расчетные зазоры элементов котла выдержаны; дверцы, лазы, люки закрыты плотно; газоходы очищены от грязи и посторонних предметов; обмуровка и изоляция не имеет неплотностей и повреждений; все клапаны открываются и закрываются нормально; все опускные и продувочные клапаны закрыты, предохранительные клапаны не заклинены.

Заполнение котла конденсатом или химически очищенной деаэрированной водой производится при температуре не ниже 300 К и не выше 330 К. Продолжительность заполнения должна быть не менее одного часа. Уровень воды в барабане необходимо довести до низшего положения по водоуказательному стеклу, после чего проверить держится ли в котле уровень.

В период пуска котла в работу всю аппаратуру автоматического  управления и блокировки отключают, а все операции проводят вручную. Автоматы и блокировку включают после того, как котел будет некоторое время работать в нормальном рабочем режиме. При давлении 0.05-0.1 МПа необходимо продуть водоуказательные стекла и убедиться в правильности их работы. При давлении 0.2 МПа закрывают паровые клапаны для обогрева барабана и проводят вентиляцию паром всего котла, после чего начинают прогрев главного паропровода до магистрали. При давлении 0.3-0.5МПа необходимо подпитать. котел и произвести периодическую продувку барабана котла. Подъем давления в котле с начала пуска до включения в паровую магистраль должен продолжаться не менее одного часа. При давлении в котле близком к давлению в общем паропроводе следует приступить к включению котла в работу и присоединить его к паровой магистрали. После включения котла в магистральный паропровод необходимо закрыть все продувки. Далее следует открыть полностью газовый шибер перед котлом. В период подъема нагрузки нужно внимательно следить за давлением и температурой перегретого пара.

При установившемся режиме работы питание  котла водой переводят на автоматическое. Необходимо следить за температурой и разрежением газов до и после  котла. Следует один раз в сутки  проверять состояние предохранительных  клапанов и продувать их во избежание прикипания.

Остановка КУ должна быть согласована с работниками технологического цеха. После этого с их непосредственным участием, автоматически или вручную необходимо открыть шибер обводного борова с переключением автоматического регулирования тяги, одновременно необходимо прикрыть лопатки направляющего аппарата дымососа и закрыть шибер перед котлом. Затем питание котла следует перевести на ручное и усилить наблюдение за уровнем воды. При достаточном уровне воды в барабане необходимо прекратить питание. При снижении давления в котле до нуля необходимо остановить циркуляционный насос, закрыть продувку пароперегревателя и убедиться, что давление пара в котле не повышается. Спуск воды из остановленного котла можно медленно проводить при температуре не выше 330-340 к. После спуска воды нужно приоткрыть предохранительный клапан, осторожно открыть лазы в барабан, убедившись, что воды и пара в барабане нет. Котел должен быть немедленно остановлен (автоматически или вручную) при отсутствии или отказе в работе защитных устройств, при разрыве труб пароперегревателя и испарительной поверхности, при выходе из строя циркуляционного насоса.