Расчет доменной печи
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
В технологической печи АВТ ведется нагрев потока отбензиненного сырья с расходом т/ч. Температура сырья на входе в печь °С, на выходе из печи °С. Доля отгона . Плотность сырья кг/м3, плотность отгона кг/м3, остатка кг/м3. Температура газов на выходе из печи °С. Температура топлива, поступающего на горение °С. Температура воздуха, поступающего в печь °С. В качестве тепловой изоляции используется кирпичная кладка, различных материалов. Температуры окружающей среды °С.
После технологической печи, дымовые газы, являющиеся вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) поступают в котел-утилизатор, где отдают часть теплоты для получения сухого насыщенного пара. КУ состоит из испарительной поверхности, состоящей из 4-х пакетов, и экономайзера (происходит подогрев воды до температуры насыщения). Температура питательной воды °С.
1 ПОЛЕЗНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА ПЕЧИ
Трубчатые печи широко распространены в химической, нефтяной, и нефтеперерабатывающей промышленности и применяются для таких технологических процессов, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел (рисунок 1). Трубчатые печи являются наиболее энергомким оборудованием установок переработки нефти, на их долю приходится до 50% общего энергопотребления предприятия. Кроме того, трубчатые печи потенциально огнеопасный и взрывоопасный объект, поэтому вопросы эксплуатации печей, их техническое состояния, регулирования нагрева и противоаварийная защита с каждым годом становится все актуальнее.
В трубчатых печах сжигается топливо со значительным содержанием сернистых соединений, отсюда до 50% общезаводских вредных выбросов (SO2, SO3, NOx и др.) содержатся в продуктах сгорания, выбрасываемых дымовыми трубами печей.
Важным моментом является экономия топлива. Для этих целей используются современные энергетические установки, использующие тепло вторичных энергетических ресурсов, т.е. тепла отходящих дымовых газов.
1 – форсунки; 2 – муфели; 3, 4 – потолочные экраны;
5, 6 – подовые экраны; 7 – конвекционная камера.
Рисунок 1 – Схема двухкамерной трубчатой печи
Полезная тепловая нагрузка печи складывается из количества тепла, которое передается продукту в печи для его нагрева и частичного испарения.
Полезную тепловую нагрузку рассчитывает по формуле, кВт:
где – расход сырья, кг/с;
е – массовая доля отгона на выходе из печи;
– удельная энтальпия продукта на входе в печь, кДж/кг;
, – удельные энтальпии жидкой и паровой фаз нефтепродукта на выходе из печи, кДж/кг.
Энтальпия жидкого нефтепродукта определяется по формуле, кДж/кг [1]:
где – плотность жидкости для температуре 20°С, отнесенная к плотности воды при 4°С, ( );
– температура жидкой фазы, при которой определяется энтальпия ( - для сырья; - для остатка нефтепродукта)
Энтальпия углеводородных газов и паров при невысоких давлениях определяется по формуле, кДж/кг [1]:
(1.3)
2 РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ПЕЧИ
Низшая теплота сгорания определяется по формуле, кДж/м3:
где СН4, С2Н6, Н2, СО, H2S и т.д. – объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный (Приложение А).
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 нм3 газообразного топлива, м3/м3:
где Н2, СО, H2S, СmHn и т.д. – объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный;
3 КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА
Для обеспечения полноты сгорания топлива воздух в печь подается с избытком по сравнению с теоретически необходимым:
где , – действительное и теоретическое количество воздуха, отнесенное к 1 кг или 1 м3 сжигаемого топлива, кг/кг топлива, м3/м3 топлива.
При возникает химический недожег, связанный с несовершенством перемешивания топлива с воздухом на выходе из горелки и развитием зон с недостатком кислорода. При наблюдается снижение температуры в зоне горения и замедления реакции окисления. Одновременно уменьшается время пребывания частиц в высокотемпературной зоне ввиду увеличения объемов продуктов сгорания (как следствие, появления механической неполноты сгорания топлива – зола и шлак). На рисунках 2, 3 показаны зависимости потерь теплоты и к.п.д. от величины коэффициента избытка воздуха.
Коэффициент избытка воздуха зависит от вида и свойств топлива, конструкции топочного устройства, способа сжигания и др. Коэффициент избытка воздуха для газообразного топлива равен
4 ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
При полном сгорании 1кг жидкого топлива или 1 м3 газообразного в образующихся газообразных продуктах должны содержаться продукты полного окисления горючих элементов СО2, SO2, Н2О, N2 и избыток кислорода О2.
При сжигании газообразного топлива теоретические объемы продуктов горения определяется, м3/м3:
– объем трехатомных газов (СО2 и SO2)
– объем азота
– объем водяных паров
– объем кислорода
– суммарный объем продуктов сгорания (действительных)
Процентный состав какого-либо компонента в продуктах сгорания определяется из соотношения:
5 ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Энтальпия продуктов сгорания рассчитываете на 1 кг жидкого или на 1м3 газообразного топлив, кДж/кг (кДж/м3):
где , , , – энтальпия газов, принимается в зависимости от температуры газов °С по таблице Приложения В.
Энтальпия действительного количества воздуха, кДж/кг (кДж/м3):
где энтальпия воздуха, принимается в зависимости от температуры °С по таблице Приложения В.
6 ПОСТРОЕНИЕ H−t ДИАГРАММЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
H−t диаграмма (зависимость энтальпии газов о температуры) используется для графического определения энтальпии продуктов сгорания при различных температурах и заданном избытке воздуха.
Энтальпия газов (отнесенных на 1 м3 дымовых газов), при произвольно выбранных температур , кДж/кг (кДж/м3):
где – энтальпия продуктов сгорания по формуле (5.1) при задаваемых температурах. Расчетные точки построить в системе координат H−t на миллиметровой бумаге и соединить линейной зависимостью.
Расчетные точки построены в системе координат H−t на миллиметровой бумаге и соединены линейной зависимостью.
7. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
Эффективность использования топлива в топочном устройстве определяется двумя основными факторами: полнотой сгорания топлива в топочной камере и глубиной охлаждения продуктов сгорания.
Распределение вносимой в топку теплоты на полезно используемую и тепловые потери производится путем составления теплового баланса. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива либо на 1 м3 газообразного топлива.
Располагаемая теплота, кДж/кг (кДж/ м3):
Для газообразного топлива:
Наибольшей из потерь, как правило, является потеря теплоты с уходящими газами, %:
Потеря теплоты через
где , – температура внутренней поверхности стенки, °С. Принять =200°С.
– площадь наружной
– термическое сопротивление теплопередаче, (м2·К)/ Вт. Определяется по формуле:
где – толщина i-го слоя кладки, м;
– коэффициент теплопроводности материала i-го слоя кладки, Вт/(м·К);
Значение коэффициентов теплопроводности слоев определяются при средних температурах по формуле:
- для слоя шамотного кирпича
; (7.5)
где - средняя температура внутри слоя.
– коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки в окружающую среду, Вт/(м2·К). Определяется по формуле:
где – температура наружной поверхности стенки.
Расчет температуры наружной поверхности стенки производится из равенства тепловых потоков через теплопроводность и теплоотдачу:
Тогда
Расход топлива, кг/с, м3/с:
Коэффициент полезного действия печи, %:
Проверка теплового баланса
8. ПОДБОР КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
Для утилизации физического тепла дымовых газов, выходящих после технологических печей применяются котлы-утилизаторы (КУ). Это позволяет получить дополнительную продукцию в виде насыщенного или перегретого пара, горячей воды и приводит к экономии топлива на предприятии. На рисунке 5 представлен чертеж котла-утилизатора КУ-40-2М, производства ОАО «Энергомаш».
Рисунок 5 – Схема котла утилизатора КУ-60-2М
Принципиальная расчетная схема котла-утилизатора
приведена на
рисунке 6.
Общее количество дымовых газов, нм3/ч:
где – температура уходящих газов из печи;
– объем продуктов сгорания при сжигании 1 кг жидкого или 1 м3 газообразного топлива, м3/кг, м3/м3.
Рисунок 6 – Принципиальная схема котла-утилизатора
По заданной температуре дымовых газов после печи и объему продуктов сгорания подбирается тип котла-утилизатора (из Приложения Д), рассчитывается их число для параллельного включения и выписываются технические характеристики выбранного КУ в таблицу 3. Теплофизические параметры воды и водяного пара на линии насыщения при температуре и давлению пара выписать из Справочника «Термодинамические свойства воды и водяного пара» под редакцией С.Л.Ривкин, А.А. Александров.
Таблица 3 – Технические характеристики выбранного котла-утилизатора
Тип КУ и их количест во |
Расход дымовых газов, нм3/с |
Давление пара, МПа |
Температура, °С |
Площадь нагрева, м2 |
Площадь живого сечения
для прохода продуктов | ||||
|
газов перед котлом |
насыщенного пара |
питательной воды |
испаритель ный пакет |
экономайзер |
испарительный пакет |
экономайзер | |||
КУ-60-2 |
64790,5 |
1,9 |
580 |
209,79 |
15 |
486 |
247 |
21,75 |
4,55 |
9. РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Задаемся двумя температурами газов за испарителем и .Последующий расчет для испарителя проводится для двух заданных температур.
Энтальпия газов на входе в испаритель, кДж/м3:
Энтальпия газов на выходе из испарителя, кДж/м3:
Расход газов, проходящих через котел, м3/с:
где n – число принятых КУ.
Количество теплоты, отданное газами пароводяной смеси, кВт:
где – коэффициент сохранения тепла, учитывающий его потери в окружающую среду (принимается ).
Средний температурный напор, °С:
где , – соответственно большая и меньшая разность температур теплоносителей, °С. Для испарителя определяются следующим образом:
где – температура насыщения (температура насыщенного пара), °С. по таблицам справочника «Термодинамические свойства воды и водяного пара» под редакцией С.Л.Ривкина, А.А. Александрова.
Средняя температура газов, °С:
Скорость движения дымовых газов определяется по формуле:
где – живое сечение для прохода газов, м2 (принимается по конструктивной характеристике КУ для испарительной поверхности, как среднее для всех четырех испарительных пакетов). .
Средний относительный диагональный шаг труб:
Поперечный и продольный шаги труб принять из конструктивных характеристик котлов-утилизаторов (Приложения Д).
При и всех
При .
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов стенке трубы при поперечном омывании шахматных пучков труб Вт/(м2·К):
где – теплопроводность газов, Вт/(м⋅К), ;
– наружный диаметр труб, м;
– вязкость газов, м2/с;
– скорость дымовых газов, м/с;
– критерий Прандтля. Определяется по средней температуре потока для дымовых газов, ;
– поправка на число рядов труб по ходу газов..
– коэффициент, определяемый в зависимости от относительного поперечного шага и значения .
Коэффициент теплопередачи определяется по формуле, Вт/(м2·К):
где – коэффициент тепловой эффективности. Принимается =0,6÷0,8.
Тепловосприятие испарителя:
где – расчетная площадь нагрева испарителя. Принимается по конструктивным характеристикам КУ.
По двум принятым значениям температур и и полученным значениям и производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева.
Из графика видно, что точка пересечения показывает температуру продуктов сгорания
Для завершения расчета повторно определим для
при
