Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

Введение

В настоящее  время одной из наиважнейших проблем  является проблема перевода мировой  экономики на энергосберегающий  путь развития. При сохранении существующих тенденций, т. е. при отсутствии кардинального  самоограничения в энергопотреблении, общемировое потребление энергии, составляющее сегодня 12 млрд.т у. т. в год вырастет в 4 - 6 раз в течение  будущего столетия и достигнет 55-75 млрд. т у. т.

Таким образом, основной перспективой развития мирового энергетического хозяйства должна стать тенденция повышения эффективности  использования энергии и топлива. А для России и ряда других стран  такая политика является главным  путем решения и экологических  проблем.

Химический  комплекс, оказывая существенное воздействие  на ускорение научно-технического прогресса  в отраслях-потребителях его продукции, превосходит средние удельные показатели по энергоемкости в 2-3 раза. При этом следует учитывать, что в химических отраслях промышленности потребление  топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) определяется условиями протекания химических реакций, сопровождаемых тепловым эффектом, и в обозримом будущем  не следует ожидать его снижения.

В последние  годы структура потребления ТЭР  менялась незначительно, несмотря на существенный рост энергетических затрат в отрасли (за период с 1985 по 2000 г. – в два  раза). В виде тепловой энергии потребляется 48,3%, электроэнергии – 30,2% и первичного топлива – 12,5% (без учета топлива, используемого в качестве сырья).

В отраслях химического комплекса основной источник потерь энергии связан с  путями ее использования. Например, КПД  процесса синтеза аммиака колеблется в пределах 40-50% в зависимости  от вида сырья. Энергетический КПД для  обычных методов получения винилхлорида – 12-17%, для синтеза NO – всего лишь 5-6,5% и т.д. Высокотемпературные химические процессы (>4000С) сопровождаются потерями энергии, достигающими в среднем 68%.

Подобное  состояние дел определяется не только объективными причинами. По традиции химики-технологи  во главу угла ставят вопросы увеличения выхода продукта реакции и конверсии  сырья, но не создания энергетически  эффективных технологических процессов.

Для коренного  улучшения ситуации в химической отрасли, касающейся рационального  использования ТЭР, разработана  энергетическая программа СНГ, согласно которой намечаются следующие основные направления:

• Изменение структуры производства с вытеснением энергоемких видов химической продукции менее энергоемкими;
• Интенсификация, оптимизация параметров и режимов производственных процессов;
• Создание принципиально новых химических технологий;
• Электрификация технологических процессов;
• Создание химических производств с использованием ядерных источников энергии.

Наряду  с энергетической рационализацией  самих химических методов (технологии) и аппаратурного оформления, необходимо выявлять вторичные источники энергии  и использовать их. По подсчетам  специалистов этот путь является вдвое-втрое более выгодным, чем дополнительная добыча и транспортировка эквивалентного количества топлива.

В химических отраслях достаточно хорошо используются ВЭР с высоким температурным  потенциалом (tж>1500C, tг>3000C). С помощью этих теплоносителей в котлах-утилизаторах производится пар, который направляется либо в технологический цикл, либо на привод турбомашин. Совершенно иная ситуация с низкопотенциальными сбросными тепловыми потоками (НТП).

Использование низкопотенциальных ВЭР связано с решением двух задач:

• Созданием надежной и эффективной системы теплопотребления;
• Созданием надежного утилизационного оборудования.

Использование НТП вторичных энергоресурсов перспективно в абсорбционно-холодильных установках для производства холода (+5- +70С) и  в теплонаносных установках для  выработки тепловой энергии (порядка 80 0С).

Использование ВЭР в химической технологии таит в себе огромнейшие резервы экономии различных видов энергии.

 

Постановка задачи

Проанализировать  работу печи перегрева водяного пара и для эффективности использования  теплоты первичного топлива предложить теплоутилизационную установку вторичных энергоресурсов.

 

 

 

1. Описание технологической схемы

Печь  перегрева водяного пара предназначена  для повышения температуры насыщенного  водяного пара до необходимой по технологии величины.

Источником  теплоты является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а  затем конвективной камерах сырьевому  потоку (водяному пару). Перегретый водяной  пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь, имея достаточно высокую температуру (450-5000С).

Для повышения  эффективности использования теплоты  первичного топлива на выходе из печи установлена утилизационная установка, состоящая из котла-утилизатора, воздухоподогревателя и КТАНа.

Теплоносителем  в КУ являются дымовые газы, покинувшие печь. В результате протекания процесса теплообмена в котле-утилизаторе  температура дымовых газов снижается  от t_дг1 до t_дг2. Питательная вода поступает в КУ с блока водоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деаэрацию. На выходе из котла-утилизатора образуется водяной пар (нас.). Параметры работы КУ выбираются таким образом, чтобы температура полученного пара соответствовала температуре входа в печь, так как образовавшийся поток вводится в основной поток, поступающий с ТЭЦ. За КУ установлен воздухоподогреватель, служащий для подогрева воздуха, подаваемого в топку для обеспечения процесса горения.

После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН), где их температура снижается  от t_дг3 до температуры t_дг4. Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потоками воды. Один поток поступает в непосредственный контакт, а другой через стенку змеевика.

Перемещение продуктов сгорания осуществляется за счет дымососа, а воздуха за счет работы вентилятора.

Температура водяного пара: t_вп1-на входе в печь; t_вп2-на выходе из печи. Температура дымовых газов: t_ух - на выходе из печи; t_дг1- на входе в КУ; t_дг2- на выходе из КУ; t_дг3 - на входе в ВП; t_дг4-на выходе из ВП; t_дг5- на входе в КТАН; t_дг6- на выходе из КТАНа.

 

Рис. 1. Схема  установки утилизации теплоты дымовых  газов

1-печь перегрева  водяного пара; 2- блок водоподготовки; 3- насос; 4-котел-утилизатор; 5-воздухоподогреватель; 6-воздуходувка; 7-КТАН; 8- дымосос.

 

2. Расчет печи

2.1 Расчет процесса горения

Определим низшую теплоту сгорания топлива Q_р^н. Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q_р^н равна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания. Также она может быть рассчитана по стандартным тепловым эффектам образования исходных и конечных продуктов исходя из закона Гесса.

Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется, по правилу аддитивности:

                                                            (1)

где Q_pi^н - теплота сгорания i-гo компонента топлива, МДж/м³;

y_i - концентрация i-гo компонента топлива в долях от единицы, тогда:

Q_р^н_см = 35,84 ∙ 0,859+ 63,80 ∙ 0,025+ 91,32 ∙ 0,01+ 118,73 ∙ 0,005 + 146,10 ∙ 0,0003 = 33,93 МДж/м³.

Молярная  масса топлива:

M_m = Σ M_i ∙ y_i,                                                               (2)

где M_i – молярная масса i-гo компонента топлива, кг/моль, отсюда:

M_m =16,042 ∙ 0,859 + 30,07 ∙ 0,025 + 44,094 ∙ 0,01 + 58,120 ∙ 0,005 + 72,15 ∙ 0,0003 + 44,010∙0,0007 + 28,01 ∙ 0,1 = 18,11 кг/моль.

                                                                         (3)

где M_m- молярная масса топлива, кг/моль;

V_н.у.-молярный объем газа при н.у, м³/моль.

 кг/м³,

тогда Q_р^н_см, выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Результаты  расчета сводим в табл. 1

Таблица 1

Состав топлива

Компонент	Молярная масса Mi, кг/кмоль	Молярная доля yi, кмоль/кмоль	Mi ∙ yi, кг/кмоль
CH4	16,042	0,8590	13,78
C2H6	30,070	0,025	0,75
C3H8	44,094	0,01	0,44
н-C4H10	58,120	0,005	0,29
C5H12	72,150	0,0003	0,02
CO2	44,010	0,0007	0,03
N2	28,010	0,1	2,8
ИТОГО:		1,0000	18,11

 

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

содержание  углерода

                                               (4)

содержание  водорода

                                                (5)

содержание  кислорода

                                            (6)

содержание  азота

                                             (7)

,

где n_i^C , n_i^H, n_i^N , n_i^O - число атомов углерода, водорода, азота и кислорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

- содержание каждого компонента  топлива, масс. %;

x_i - содержание каждого компонента топлива, мол. %;

M_i - молярная масса отдельных компонентов топлива;

М_m - молярная масса топлива.

Проверка состава:

C + H + O + N = 63,8 + 20,5 + 0,20 + 15,5 = 100 % (масс.).

Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и  содержания кислорода в атмосферном  воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L₀, кг/кг, вычисляется по формуле:

                                             (8)

кг/кг.

На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,12:

L=αL₀,                                                                           (9)

где L - действительный расход воздуха, кг/кг;

α - коэффициент  избытка воздуха,

L=1,12∙14,4 = 16,14 кг/кг.

Удельный  объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

                                                                     (10)

где ρ_в = 1,293 – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;

м³/кг.

Найдем  количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете  на 1 кг топлива при полном его  сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:

                                                                 (11)

 кг/кг;

                                                 (12)

 кг/кг;

                                                      (13)

 кг/кг;

                                                            (14)

 кг/кг,

где m_CO2, m_H2O, m_N2, m_O2 - масса соответствующих газов, кг.

Суммарное количество продуктов горения:

m_{п. с} = m_CO2 + m_H2O + m_N2 + m_O2,                                                   (15)

m_{п. с} = 2,34 + 1,85 + 12,54 + 0,4 = 17,13 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

                                                          (16)

где W_ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W_ф = 0),

 кг/кг.

Поскольку топливо – газ, содержанием влаги  в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.

Найдем  объем продуктов сгорания при  нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

                                                              (17)

где m_i — масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива, кг;

ρ_i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м³;

М_i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный  объем, м³/кмоль,

 

м³/кг; м³/кг;

м³/кг; м³/кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при  фактическом расходе воздуха:

V = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2,                                                   (18)

V = 1,19 + 2,3+ 10,03 + 0,28 = 13,80 м³/кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

                                                                   (19)

где m_{п. с} - суммарное количество продуктов сгорания, кг/кг;

V - суммарный объем продуктов сгорания (н. у.), м³/кг.

 кг/м³.

Найдем  теплоемкость и энтальпию продуктов  сгорания 1 кг топлива в интервале  температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

Таблица 2

Средние удельные теплоемкости газов с_р, кДж/(кг∙К)

t, °С	O2	N2	CO2	H2O	Воздух
0	0,9148	1,0392	0,8148	1,8594	1,0036
100	0,9232	1,0404	0,8658	1,8728	1,0061
200	0,9353	1,0434	0,9102	1,8937	1,0115
300	0,9500	1,0488	0,9487	1,9292	1,0191
400	0,9651	1,0567	0,9877	1,9477	1,0283
500	0,9793	1,0660	1,0128	1,9778	1,0387
600	0,9927	1,0760	1,0396	2,0092	1,0496
700	1,0048	1,0869	1,0639	2,0419	1,0605
800	1,0157	1,0974	1,0852	2,0754	1,0710
1000	1,0305	1,1159	1,1225	2,1436	1,0807
1500	1,0990	1,1911	1,1895	2,4422	1,0903

 

Энтальпия дымовых газов, образующихся при  сгорании 1 кг топлива:

                            (20)

где с_CO2, с_H2O, с_N2, с_О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t, кДж/(кг · К);

с_t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t, кДж/(кг К);

при 100°С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг.

Результаты  расчетов сводим в табл. 3.

Таблица 3

Энтальпия продуктов сгорания

Температура		Теплоемкость продуктов сгорания сt, кДж/(кг∙К)	Энтальпия продуктов сгорания Ht, кДж/кг
°С	К
100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500	373 473 573 673 773 873 973 1073 1273 1773	18,906 19,092 19,324 19,556 19,783 20,039 20,298 20,546 20,997 22,677	1890,6 3818,4 5792,2 7822,4 9891,5 12023,4 14208,6 16436,8 20997,0 34015,5

 

Рис.2 Зависимость  энтальпии ПС от температуры

 

 

 

2.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в печи (полезная тепловая нагрузка):

                                                         (21)

где G - количество перегреваемого водяного пара в единицу времени, кг/с;

H_вп1 и Н_вп2 - энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;

Вт.

Принимаем температуру уходящих дымовых газов равной 350 °С (623 К). Потери тепла излучением в окружающую среду составят 10 %, причем 9 % из них теряется в радиантной камере, а 1 % - в конвекционной. КПД топки η_т = 0,91.

Потерями  тепла от химического недожога, а  также количеством теплоты поступающего топлива и воздуха пренебрегаем.

Определим КПД печи:

                                                              (22)

где Н_ух - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов, покидающих печь, t_ух температура уходящих дымовых газов принимается обычно на 100 - 150 °С выше начальной температуры сырья на входе в печь; q_пот - потери тепла излучением в окружающую среду, % или доли от Q_пол;

Расход  топлива, кг/с:

                                                                (23)

 кг/с.

 

2.3 Расчет камеры радиации и камеры  конвекции

Задаемся  температурой дымовых газов на перевале: t_п = 750 - 850 °С, принимаем

t_п = 800 °С (1073 К). Энтальпия продуктов сгорания при температуре на перевале

H_п = 16436,8 кДж/кг.

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в радиантных трубах:

                                                     (24)

где Н_п - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов па перевале, кДж/кг;

η_т - коэффициент полезного действия топки;

 Вт.

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в конвекционных трубах:

                                                                   (25)

 Вт.

Энтальпия водяного пара на входе в радиантную секцию составит:

                                                            (26)

где Н_вп2 - энтальпия водяного пара на выходе из печи, кДж/кг;

Q_р- тепловой поток, воспринятый водяным паром в радиантных трубах, Вт;

G- производительность печи по водяному пару, кг/с.

 кДж/кг.

Принимаем величину потерь давления в конвекционной  камере ∆P_к = 0,15 МПа, тогда:

P_к = P - P_к,                                                                 (27)

P_к = 0,5 – 0,15 = 0,35 МПа.

Температура входа водяного пара в радиантную секцию t_к = 370 °С [4,c.98], тогда средняя температура наружной поверхности радиантных труб составит:

                                                         (28)

где Δt - разность между температурой наружной поверхности радиантных труб и температурой водяного пара (сырья), нагреваемого в трубах; Δt = 20 - 60 °С;

К.

Максимальная  расчетная температура горения:

                                                                  (29)

где t_o - приведенная температура исходной смеси топлива и воздуха; принимается равной температуре воздуха, подаваемого на горение;

с_п.с. - удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре t_п;

°С.

 

При t_max = 1869,3 °С и t_п = 800 °С теплонапряженность абсолютно черной поверхности q_s [5] для различных температур наружной поверхности радиантных труб имеет следующие значения:

Θ, °С       200           400            600

q_s, Вт/м² 1,45 ∙ 10⁵  1,20 ∙ 10⁵    0,80 ∙ 10⁵

Строим  вспомогательный график (рис. 3), по которому находим теплонапряженность при Θ = 585 °С:

Рис.3 Зависимость  теплонапряженности от температуры стенки

q_s = 0,9 ∙ 10⁵ Вт/м².

Рассчитываем  полный тепловой поток, внесенный в  топку:

                                                               (30)

 Вт.

Предварительное значение площади эквивалентной  абсолютно черной поверхности:

                                                                        (31)

где Q- полный тепловой поток, внесенный в топку, Вт;

q_s- теплонапряженность, Вт/м².

 м².

Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 [3, c.310] и для α = 1,12 находим, что H_s/H_л = 0,79.

Величина  эквивалентной плоской поверхности:

                                                              (32)

м².

Принимаем однорядное размещение труб и шаг  между ними:

S = 2d_н = 2 ∙ 0,152 = 0,304 м. Для этих значений фактор формы К = 0,87 [3, c.306].

Величина  заэкранированной поверхности кладки:

                                                                    (33)

 м².

Поверхность нагрева радиантных труб:

                                                                     (34)

 м².

Выбираем  печь ББ2 , ее параметры:

поверхность камеры радиации, м²                                                                                                180

поверхность камеры конвекции, м²                                                                                                                               180

рабочая длина  печи, м                                                                                                                        9

ширина камеры радиации, м                                                                                                          1,2

исполнение                                                                                                                                          б

способ сжигания топлива                                                                              беспламенное горение

диаметр труб камеры радиации, мм                                                                                         152×6

диаметр труб камеры конвекции, мм                                                                                       114×6

Число труб в камере радиации:

                                                           (35)

где d_н - наружный диаметр труб в камере радиации, м;

l_пол - полезная длина радиантных труб, омываемая потоком дымовых газов, м,

l_пол = 9 – 0,4∙2 = 8,2 м,

.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб:

                                                                          (36)

 Вт/м².

Определяем  число труб камеры конвекции:

                                                            (37)

Располагаем их в шахматном порядке по 3 в  одном горизонтальном ряду. Шаг между  трубами S = 1,7d_н = 0,19 м.