Разработка программного модуля для расчета материального баланса процесса горения эстонского сланца

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"

Факультет информационных технологий и управления

Кафедра систем автоматизированного проектирования и управления

Дисциплина: Математическое моделирование химико-технологических процессов

Курсовая работа на тему:

"Разработка программного модуля для расчета материального баланса процесса горения эстонского сланца"

Исполнитель студент гр. 414

Мамонтова Ю.В.

Руководитель

Л.В. Гольцева

Санкт-Петербург,2014

Оглавление

Введение

. Аналитический обзор

.1 Аналитический обзор методов теплового расчета ХТП

.2 Анализ аппаратурного оформления процессов горения

.2.1 Слоевое сжигание

.2.2 Пылевидное сжигание

.2.3 Сжигание в кипящем слое

. Цель и задачи

. Основная часть

.1 Описание объекта моделирования

.2 Процесс горения сланца как объекта моделирования

.3 Разработка алгоритма решения

.3.1 Порядок проведения работы

.3.2 Блок-схема

.3.3 Исходные данные

.4 Структура программы

.5 Разработка программного обеспечения

Вывод

Список использованной литературы

Введение

Развитие химической промышленности невозможно без внедрения новых технологий, направленных на увеличение выпуска продукции, экономного расходования сырья и всех видов энергии, создания малоотходных производств.

Данная курсовая работа посвящена разработке программного обеспечения для расчета энергетического (теплового) баланса горючего сланца. Поэтому моделирование таких процессов является важным этапом при изменении характеристик на реальном объекте, поскольку требуется анализ возможных реакций на воздействия. Традиционные методы расчета ХТП, основанные на учете при вычислениях упрощенных механизмов их протекания, абсолютно не удовлетворяют современным требованиям. Только компьютерное моделирование дает возможность учесть наибольшее число факторов и явлений, влияющих на протекание реальных процессов, и обеспечить высокую точность предсказания их поведения при расчетах. В результате коэффициенты запаса, которые необходимо было вводить раньше при проектировании для обеспечения надежности оборудования химических производств, могут быть существенно уменьшены, что должно привести к требуемой экономии энергетических, материальных и других ресурсов. Математическое моделирование открыло перед исследователями большие возможности в разработке математических описаний и моделей химико-технологических процессов и их применения для расчета и оптимизации ХТС.

1. Аналитический обзор

.1 Аналитический обзор методов теплового расчета ХТП

Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход энергии (тепла) процесса (аппарата). Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Обычно для химико-технологических процессов составляется тепловой баланс. Уравнение теплового баланса:

  (1)

Или

Применительно к тепловому балансу закон сохранения энергии формулируется следующим образом: приход теплоты в данном аппарате (или производственной операции) должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате (или операции).

Для аппаратов (процессов) непрерывного действия тепловой баланс, как правило составляют на единицу времени, а для аппаратов (процессов) периодического действия - на время цикла (или отдельного перехода) обработки.

Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов (экзотермических и эндотермических) химических реакции и физических превращений (испарения, конденсации и др.), происходящих в аппарате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции, а также через стенки аппарата.

Тепловой баланс подробно материальному выражают в виде таблиц и диаграмм, для расчета используют следующее уравнение.

Q_Т+Q_Ж+Q_Г+Q_ф+Q_Р+Q_П= Q_т', Q_ж', Q_г' + Q_ф' + Q_р'+ Q_n' (2)

где Q_T, Q_ж, Q_г - количество теплоты, вносимое в аппарат твердыми, жидкими и газообразными веществами соответственно;

Q_т', Q_ж', Q_г' - количество теплоты, уносимое из аппарата выходящими продуктами и полупродуктами реакции и непрореагировавшими исходными веществами в твердом, жидком и газообразном виде; Q_ф', Q_ф' - теплота физических процессов, происходящих с выделением и поглощением теплоты соответственно; Q_р и Q_р' - количество теплоты в результате экзо- и эндотермических реакций; Q_n - количество теплоты, подводимое в аппарат извне (дымовыми газами, нагретым воздухом, сжиганием топлива, электроэнергией и т. д.); Q_n'- потери теплоты в окружающую среду, а также отвод ее через холодильники, помещенные внутри аппарата.

Величины Q_т, Q_ж, Q_г, Q_т', Q_ж',Q_г' рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него, по формуле

 (3)

где G - количество вещества; с - средняя теплоемкость этого вещества; t-температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 0°С).

Теплоемкости газов (Дж/(моль-К)), участвующих в процессе, для данной температуры (Т, К) можно подсчитать, пользуясь формулой:

 (4)

Чаще всего приходится иметь дело со смесями веществ. Поэтому в формулу (3) подставляют теплоемкость смеси ссм, которая может быть найдена по закону аддитивности. Так, для смеси трех веществ в количестве G\t и 03, имеющих теплоемкости c₁, с₂ и с₃

 (5)

Суммарная теплота физических процессов, происходящих в аппарате, может быть рассчитана по уравнению

 (6)

где G₁, G₂, G₃ - количества компонентов смеси, претерпевших фазовые переходы в данном аппарате; r₁, r₂, r₃ - теплота фазовых переходов (конденсация, кристаллизация, растворение и т.д.).

Число членов в правой части уравнения (6) должно соответствовать числу индивидуальных компонентов, изменивших в аппарате (в ходе процесса) свое фазовое состояние.

Аналогично рассчитывают расход теплоты на те физические процессы, которые идут с поглощением теплоты (Qф'): десорбция газов, парообразование, плавление, растворение и т. п.

Тепловые эффекты химических реакций могут быть рассчитаны на основе теплот образования веществ, участвующих в реакции. Так, по закону Гесса тепловой эффект реакции определяется как разность между теплотами образования всех веществ в правой части уравнения и теплотами образования всех веществ, входящих в левую часть уравнения. Например, для модельной реакции:

A+B = D+F+q_p

изобарный тепловой эффект будет:

q_p°=(q_обрD°+ q_обрF°)-(q_обрА°+ q_обрB°) (7)

Изобарные теплоты образования из элементов различных веществ qобр° (или ∆H) приведены в справочниках физико-химических, термохимических или термодинамических величин. При этом в качестве стандартных условий приняты: температура 25°С, давление 0,1 МПа н для растворенных веществ концентрация 1 моль на 1 кг растворителя. Газы и растворы предполагаются идеальными.

Для определения зависимости теплового эффекта реакции от температуры применяют уравнение Нернста

qp=qp°+∆a₀T±1/2∆a₁T²+1/3∆a₂T³ (8)

где ∆a₀, ∆a₁ и ∆a₂ - разности коэффициентов уравнения (4) для продуктов реакции и исходных веществ.

Подвод теплоты в аппарат Q_n можно учитывать по потере количества теплоты теплоносителем, например, греющей водой (G_вG_с)

Q_п=G_Bc_B(t_нач-t_кон) (9)

Q_п=G_r (10)

или же по формуле теплопередачи через греющую стенку

 (11)

По этой и другим формулам теплопередачи можно также рассчитать отвод теплоты от реагирующей смеси в аппарате или потерю теплоты в окружающую среду (Qп’). Эту статью расхода теплоты часто вычисляют по изменению количества теплоты хладагента, например, охлаждающего воздуха или воды.

Теплоту (тепловой поток) (Вт), полученную при сжигании топлива или при превращении электрической энергии в тепловую за единицу времени (например, секунду), подсчитывают по формулам

для пламенных печей

 (12)

для электрических печей

 (13)

где В - расход топлива, мі/с или кг/с; - низшая теплота сгорания топлива, Дж/мі или Дж/кг; N - мощность печи, Вт; -коэффициент.

При подсчете теплоты сгорания топлива по его элементарному составу в технических расчетах чаще всего используют формулу Менделеева:

 (14)

где С, Н, О, S - соответственно содержание углерода, водорода, кислорода и серы, % (масс.); W -содержание влаги в рабочем топливе (с учетом содержания в нем золы, азота), % (масс.).

Высшую теплоту сгорания вычисляют при условии, что вся вода, образовавшаяся при сгорании, и влага, первоначально содержащаяся в топливе, конденсируются из отходящих газов в жидкость и охлаждаются до первоначальной температуры, т. е. до температуры, с которой поступает топливо в топку. Определяют по формуле:

 (15)

На основе элементарного состава топлива теоретический расход воздуха G (кг на 1 кг топлива) рассчитывают по уравнению:

G_теор=0,116С+0.343H+0,0435(S-О) (16)

Количество теплоты, вносимой влажным воздухом, можно подсчитать по формуле

I_возд=бG_теор(1,02+1,95х)t_возд (17)

где б - коэффициент избытка воздуха (для твердого топлива обычно б = 1,3-1,7; для жидкого 1,1-1,2; для газообразного 1,0 -1,2); 1,02 и 1.95-соответственно удельная теплоемкость воздуха и водяных паров, кДж/кг; х- влагосодержание воздуха, кг на 1 кг сухого воздуха; t_возд - температура воздуха, поступающего на сгорание.

.2 Анализ аппаратурного оформления процессов горения

.2.1 Слоевое сжигание

На первых сланцевых электростанциях для сжигания сланца применялись паровые котлы со слоевой топкой, которые однако из-за своей ограниченной тепловой мощности потеряли первоначальное значение.

Сланец можно успешно сжигать в постоянно взрыхляемом слое. Основываясь на этом принципе, для котлов большей мощности были спроектированы наклонные решетки с возвратно-поступальным движением звеньев. Наиболее известные из которых - решетка Крулля-Ломшакова и решетка (завода-изготовителя) Ильмарине.

Рисунок 1-.Решетка Крулля-Ломшакова. 1- звено решетки, 2 и 3- ячейки, 5 - соединительный болт.

Рисунок 2 -Решетка Ильмарине.

При сжигании сланца в слое в основном выделяется теплота горения кокса и дополнительно частично - теплота горения летучих. При этом неизбежно выносятся неполностью сгоревшие частицы из слоя в объем топки у поверхности решетки, где остывают или соприкасаются с низкотемпературными поверхностями, в результате чего образуются богатые углеродом частицы сажи. Это и есть основная проблема сжигания сланца в слое - обеспечение т.н. "безсажного" горения.

Рисунок 3-Сланцевый котел с наклонной решеткой с подвижными звеньями.

Для решения вышеназванной проблемы для сжигания сланца были разработаны двухступенчатые топки с учетом особых свойств сланца, характеристик сжигания в слое и неоднородного распеределения уходящих газов в сечении топки.

Для того, чтобы создать условия наилучшего смешения между собой уходящих из слоя газов с различным содержанием кислорода и доступа вторичного воздуха в топку, в камере топки предусмотрено резкое сужение поперечного сечения топки. Поэтому в верхней части топки горят преимущественно выделившиеся летучие из органического топлива и частицы сажи, и эта часть топки и представляет из себя вторую ступень.

При прохождении через сужение газовый поток ускоряется, увеличивается турбулентность потока, интенсивность массообмена, и все это вместе улучшает смешивание горючих компонентов с кислородом. В сужение направляют также струи вторичного воздуха, в результате чего и возникает в топке высокотемпературное пламя. В двухступенчатой топке возможно обеспечить "бессажное" горение сланца и минимальные тепловые потери от химнедожега.

Поскольку параметры пара в котле со слоевой топкой сравнительно низкие, то большое значение имеют парообразовательные поверхности котла. Для котлов со слоевой топкой последних модификаций характерна полностью экранированная топка, за которой расположен трубный пучок, состоящий из двух частей, с большой теплообменной поверхностью. Наиболее распространено такое расположение теплообменной поверхности, что пароперегреватель находится между частями трубного пучка.

.2.2 Пылевидное сжигание

В настоящее время пылевое сжигание - наиболее распространенная технология сжигания твердых топлив вообще и сланца в частности.

Топка для пылевого сжигания, где происходит высокотемпературный процесс горения, представляет из себя экранированную поверхностями теплообмена камеру, куда горелками "закидывается" пылевое топливо в виде аэросмеси и где происходит выделение теплоты сгорания, которая через поверхности теплообмена передается воде (пару), и где также происходят процессы преобразования топлива в его минеральной части с образованием золы. Топочная камера имеет вид прямоугольного параллелепипеда, газы горения движутся там снизу-вверх и покидают топку через окно газохода, где расположена конвективная поверхность нагрева. Наиболее важными показателями тепловой мощности топки являются объем топки и удельная тепловая мощность поверхности поперечного сечения топки, важна также и температура газов горения на выходе из топки.

Горелки используются как прямоточные, так и турбулентно-вихревые.

Рисунок 4 -Конструкция угловой горелки (а) и установка её в котле TP-17

Рисунок 5 -Турбулентная вихревая горелка

Частицы золы в газах горения, которые витают в топке медленнее, чем движется в ней поток, выносятся из топки вместе с газами горения и проходят поверхности нагрева в газоходе - это летучая зола. Зола, которая выпадает на дно топки, называется шлаком.

У котла с пылевым сжиганием сланца ТР - 17 (Балтийская ЭС) четыре прямоточные угловые горелки, удельная тепловая мощность поперечного сечения топки относительно большая - qF = 2,4 MW/m². Топочный экран котла ТР - 17 вблизи горелок быстро покрывается железосодержащими шлаками (зашлаковывается), а верхняя часть экрана покрывается связанными отложениями, образовавшимися на основе кальций- и калийсульфатов. Это связано с расположением горелок и большой удельной тепловой мощностью поперечного сечения топки (которая пропорциональна скорости газов горения в сечении топки). По проектному варианту топочные экраны обдували от золы большим количеством паровых обдувочных аппаратов типа OPR-5 каждые 1,5 -3 часа для снижения влияния загрязнения поверхностей нагрева на теплообмен. Выяснилось, что паровыми струями можно очистить экранные трубы частично, т.е. от рыхлых отложений типа Р, которые собираются на них в период между обдувками, но в тоже время это способствует образованию и росту на экранных трубах сильно связанных отложений типа Т - их приходилось удалять механически, останавливая для этого котел. Также часто приходилось менять из-за продувок выходившие из строя экранные трубы, находившиеся вблизи продувочных аппаратов.

Замена паровой обдувки на водяную резко сократила образование и рост твердых отложений на экранных поверхностях, снизила износ экранных труб, а также сократила количество остановов котлов для механической чистки поверхностей экранных труб. Это также увеличило эксплуатационную надежность и интенсивность теплообмена в котле.

Рисунок 6 - Kотел TP-17. 1 - мельница всместе с гравитационным сепаратором; 2 - горелка; 3 - топка; 4 - фестон; 5 - пароперегреватель; 6 - экономайзер; 7 - воздухоподогреватель.

Для снижения загрязнения экранных поверхностей нагрева при проектировании в последующих сериях сланцевых котлов пылевидного сжигания TP-67 и TP-101, уменьшили удельную тепловую мощность поперечного сечения топки до qF = 1,9 MW/mІ, а также установили на фронтальную стену турбулентные горелки, но в проектном варианте оставили продувку паровыми струями. Отложения на экранных поверхностях топок этих котлов были структурно схожими с отложениями в котле ТР - 17, но загрязнение происходило медленнее и теплообмен был немного интенсивнее. В дальнейшем и на этих котлах отказались от паровой обдувки, заменив её на обдувку водяными струями.

Обобщая данные о загрязнении топочных экранных поверхностей нагрева, можно утверждать, что они сильно зависят от аэродинамики в топке и определяют массовый обмен в топке.

От аэродинамики топки зависит не только рост отложений на экранах и их термическое сопротивление, которое снижает интенсивность теплопередачи, но зависит и градиент потока излучения в приэкранном термическом пограничном слое.

В сланцевых топках последнее оказывает большое влияние на интенсивность теплопередачи. Поэтому теплопередача в топке котла ТР - 17, несмотря на более быстрое загрязнение топочных экранов, более интенсивная, чем в котлах TP-67 и TP-101. Рост связанных отложений и шлаков на экранных поверхностях можно предотвратить внедрением эффективных мер очистки, из которых наиболее подходящая и надежная - водяная продувка.

Рисунок 7 - Kотел TP-101. 1 - горелки; 2 - топка; 3 - фестон; 4 - топочные ширмы; 5 - промежуточные ширмы; 6 - длинные ширмы основного пароперегревателя; 7 - промежуточный пароперегреватель; 8 - экономайзер; 9 - воздухоподогреватель.

Наиболее распространенная компановка сланцевого котла - П-образная, но для сжигания более сложного состава топлива нашли применение и котлы башенного типа.

Рисунок 8 - Kотел BKZ-75-39F. 1 - амбразура; 2 - топка; 3 - аппарат водяной обдувки; 4 - фестон; 5 -пароперегреватель; 6 - камера золоулова; 7 - экономайзер; 8 -мультициклон; 9 - воздухоподогреватель.

П-образная компановка такова, что уходящие газы, покидая топку через выходное окно, попадают в короткий горизонтальный газоход, затем сверху-вниз движутся в вертикальном газоходе, в которых соответственно расположены пароперегреватели и экономайзер, но в опускном вертикальном газоходе может быть расположен и воздухоподогреватель.

В котлах П-образной компановки, сжигающих сланец, обычное расположение поверхностей нагрева не подходит, как в котлах, сжигающих топливо с бедной минеральной частью, у которого зола инертна и связанных отложений на поверхностях нагрева не образуется.

Одними из главных параметров, которые определяют характер загрязнения конвективной поверхности нагрева, являются

. температура газов горения (определяет состояние частиц золы, соединения, находящиеся в паровой фазе, сульфатизацию золы и др.) ;

. скорость газов горения и гранулометрический состав частиц золы (вместе эти два параметра определяют условия осаждения на поверхности нагрева);

. состав газов горения (наиболее важными компонентами здесь являются двуокись серы SО₂ и кислород О₂, их концентарция важна с точки зрения образования сульфатных золовых отложений);

. температура поверхности нагрева (создает возможность конденсирования газообразных соединений, находящихся в газах горения; химические связь (схватывание) между частицами золы и поверхностью нагрева; условия термодиффузии и др.).

Температура газов горения вдоль газоходов котла падает, что снижает химическую активность частиц залы с точки зрения образования отложений. Рациональная компановка поверхностей нагрева предполагает оптимальную корреляцию (связь) между снижением температуры уходящих газов и геометрическими параметрами поверхности нагрева, а также размещением поверхности нагрева в газовом потоке. Важным геометрическим параметром поверхности нагрева (трубного пучка) является поперечный шаг между трубами - в высокотемпературой области необходимо использование ширмовых (разряженный пучок) поверхностей нагрева во избежание забивания золовыми частицами поверхностей нагрева; в низкотемпературной области химактивность золовых частиц ниже, там образуются сыпучие отложения и соответственно можно использовать более плотные трубные пучки. сланец горение теплопотеря энтальпия

Из-за особенностей сланца принцип компоновки сланцевых котлов TP-17, TP-67 ja TP-101, расположение газоходов и вид расположенных в них поверхностей нагрева принципиально отличаются от угольных котлов. Особенность сланцевого котла состоит в том, что после топки находится несколько вертикальных газоходов - в первом находится пароперегреватель, во втором - экономайзер, в горизонтальном газоходе можно установить ширмовую поверхность нагрева с прекрестным обтеканием. Такой порядок расположения газоходов позволяет сформировать геометрию поверхностей нагрева с учетом механизма загрязнения таким образом, что поперечный шаг между трубами уменьшается по ходу движения газов. Также принимают во внимание возможность широкого использования продольного обтекания газами ширмовой поверхности нагрева, которая менее загрязняется золовыми отложениями.

Наиболее полно концепция компановки котла для сжигания сланца отражает идея башенного котла. Башенный котел позволяет, в сравнении с многоходовыми котлами, плавно изменять поперечный шаг между трубами, а также выравнивать характерные поля (температуры, скорости газов, концентрации частиц), которые возникают из-за поворотов газоходов и, неравномерность которых, порождает золовые отложения.

С точки зрения охраны окружающей среды наибольшей проблемой технологии пылевидного сжигания сланца является высокая концентрация двуокиси серы SO2 в уходящих газах (несмотря на высокое молярное соотношение Са/S). Причина состоит в том, что в высокотемпературной среде образуются малоактивные кальций содержащие соединения (новые минералы), которые плохо связывают двуокись серы SO2. Из-за этого количество реакционноспособного извести сокращается настолько, что его не хватает для связывания двуокиси серы SO2.

.2.3 Сжигание в кипящем слое

Сжигание твердых топлив в кипящем слое - новейшее направление в практике топливосжигающих электростанций и находится в стадии развития. В настоящее время практически внедрено три технологии сжигания в кипящем слое:

. классический кипящий слой (применяется в основном в котлах малой мощности),

. циркулирующий кипящий слой,

. кипящий слой под избыточным давлением.

Сжигание сланца в кипящем слое более перспективно в циркулирующем кипящем слое или в кипящем слое под избыточным давлением. Это определяется свойствами сланца.

Слой твердых частиц превращается в гравитационном поле в кипящий в том случае, если динамическое давление на частицы газового потока, который проходит через слой, уравновешивается силой тяжести. Если направить в слой золовых частиц, температура которого равна как минимум температуре воспламенения топлива, тонкого помола топливо, то оно будет устойчиво гореть без необходимости увеличения температуры. Поэтому горение топлива в кипящем слое относится к низкотемпературной технологии сжигания топлива.

В случае топлива с низким содержанием минеральной части материалом кипящего слоя служит обыкновенный песок. Сланец - топливо, содержащее большoе количество минералов, поэтому зола сланца выполняет роль кипящего слоя.

Особенность цикрулирующего кипящего слоя состоит в том, что газы горения выходящие из топки вместе с частицами золы направляются в сепаратор, где частицы золы отделяются от газов и снова направляются в топку. Таким способом создается циркуляционный контур твердой фазы, в котором поддерживается равновесие между подаваемым в топку топливом и циркулирующей золой, что обеспечивается непрерывным удалением частиц из сепаратора и золы со дна топки.

Основная часть топки кипящего слоя - это топочная камера с решеткой распределения воздуха, где мелкое топливо направляют или в непосредственно кипящий на решетке слой, или в объем около кипящего слоя, туда же соплами с большой скоростью подается вторичный воздух. Стена топочной камеры экранирована поверхностью теплообмена, существует возможность дополнительного использования объема топочной камеры в виде размещения там обширной ширмовой поверхности нагрева. Горение топлива, выделение теплоты горения, процессы в минеральной части и образование золы происходят как в слое, так и в надслойном объеме и частично могут продолжаться и после выхода из топки.

В циркулирующем кипящем слое концентрация топлива низкая (около 0,5 -2%), поэтому теплота горения высвобождается распределенно по всему объему топки, это уравновешивает воспринимаемое поверхностями нагрева тепло и по этой причине в топке не возникает высокотемпературных зон и поэтому отсутствует надобность раполагать в слое дополнительную поверхность нагрева.

Топку с циркулирующим кипящим слоем в настоящее время оборудуют "воздух-кипящий слой" теплообменником, который установлен в обратном потоке частиц золы из сепаратора, и особенностью которого является интенсивная теплоотдача от кипящего слоя к расположенной там поверхности нагрева.

Рисунок 9 -Котел с циркулирующим кипящим слоем со внутритопочным сепаратором,

При сжигании сланца в кипящем слое серу полностью связывают с золой и поэтому двуокиси серы в уходящих газах практически нет. Таким образом, для связывания серы не нужно ни абсорбент добавлять в топливо, ни чистить уходящие газы от двуокиси серы. Это объясняется высоким мольным соотношением Са/S и тем, что при термическом разложении карбонатных минералов образуется свободная известь, которая является активным связующим серы. Это является серьезным преимуществом технологии сжигания сланца в кипящем слое. При этой технологии сжигания проявляются значительные её отличия от пылевидной технологии сжигания: 1. в температуре в топке, 2. во фракционном составе частиц золы в газоходах за топкой.

Очень перспективным считается сжигание твердого топлива в кипящем слое под избыточным давлением. Преимущество этой технологии выражается в том, что энергию газов горения можно полностью преобразовать в полезную работу в газовой турбине и конечным результатом является скачкоообразное увеличение к.п.д. теплосиловой установки. В таких установках с двумя турбинами (паровой и газовой) находит применение термодинамический бинарный цикл. Технология сжигания твердого топлива в кипящем слое под давлением уже нашла значительное применение в нескольких странах.

Технология сжигания сланца в кипящем слое под давлением пока отсутствует, но возможности её применения и связанные с этим явления были исследованы на лабораторных установках и пилотной установке класического кипящего слоя тепловой мощностью 1МW. Результаты позволяют сделать вывод, что сжигание в кипящем слое под давлением подходит для сжигания сланца. Особенно важным при этом является то обстоятельство, что при сжигании сланца с высоким карбонатным содержанием карбонатные минералы не разлагаются из-за высокого противодавления углекислого газа СО₂ и поэтому при сжигании сланца значительно возрастает количество выделяющейся теплоты горения и снижается эмиссия (выбросы) СО₂ в оркужающую среду. И также зола связывает практически полностью серу.

Рисунок 10 -Технологическая схема теплосиловой установки с классическим кипящим слоем под избыточным давлением.

Рисунок 11-Технологическая схема теплосиловой установки с циркулирующим кипящим слоем под избыточным плавлением.

2. Цель и задачи

Целью курсовой работы является создание модели расчета теплового баланса горения сланца. Разработанная модель позволит

повысить эффективность (качества, оперативности) решения задач и анализа

проектных решений для расчета теплового баланса горючего сланца

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие

задачи:

·    Аналитический обзор методов теплового расчета ХТП

·        Анализ аппаратурного оформления процессов горения

·        Процесс горения сланца как объекта моделирования

·        Разработка программного продукта для изучения процесса с помощью ММ

·        Тестовый пример работы программы; статические характеристики температуры в аппарате в зависимости от основных управляющих воздействий

·        Разработка программной документации (Описание применения).

Перечень графического материала

.     Процесс горения как объект моделирования

2.      ММ процесса

.        Блок- схема алгоритма решения. Результаты моделирования

3. Основная часть

.1 Описание объекта моделирования

В ходе работы над программным комплексом был проведен анализ входных\выходных данных.

Рисунок 12 - Формализованное описание математической модели, где X - множество входных параметров

.2 Процесс горения сланца как объекта моделирования

Состав [% (масс.)]: С - 70; Н₂ - 6,5; О₂ - 10; S - 2,0; Na-1; зола - 5,5; влага - 5. Коэффициент избытка воздуха б=1,55. Относительная влажность воздуха 100%. Сланец и воздух поступают в топку с температурой 25 °С. Теплопотери (теплоотдача через стенки котла и унос теплоты со шлаком) 8% от общего прихода теплоты.

При 25 °С влажность при насыщении 23,1 г/мі. Расчет вести на 1 кг сланца.

Решение. Горение протекает до конечных продуктов окисления по реакциям:

С + О₂ →СО₂ (1);

Н2 + 1/2О₂→ Н₂О (2);

S + О₂ → SO₂ (3)

В соответствии с формулой (14) низшая теплота сгорания сланца:

,3 * 70 + 1256 *6,5 - 109 (10 - 2) - 25,2 (9 * 6,5 - 5) = 29 650 кДж/кг

При средней теплоемкости сланца 0,78 кДж/(кг°С) количество теплоты в 1 кг сланца при 25°С составляет: 0,78-25*1 = 18,2 кДж.

Теоретический расход воздуха [по уравнению (16)]:

,116* 70 + 0.348 *6,5 + 0,0435 (2 - 10) = 10,05 кг или 10,05/1,2928 => 7,77 мі

в том числе 7,77*79/100 = 6,14 мі N2 и 1,63 мі 02.

Влагосодержание 1 кг воздуха:

,1 * 7,77/10,05 =* 17,9 г *=0,0179 кг

Количество теплоты воздуха, поступающее в топку [по формуле (III.18)]:

,55 * 10,05 (1,02 + 1,95* 0,0179) 25 = 392,8 кДж

Следовательно, весь приход теплоты 29650+18,2+392,8=30061 кДж,

потери 30061-0,08 = 2410 кДж,

уносится с топочными газами  30061 -2410 = 27651 кДж.

Определим состав продуктов сгорания 1 кг эстонского сланца:

Энтальпия газов (кДж/кмоль);

Количество теплоты отходящих газов при 1300°С [см. уравнение (I1I.4)]:

Q'=0,058-66800+0,0485*52200+0,00062+67900+0,4254*41600+0,04* *43400=25940 кДж

Поскольку Q'<Q, принимаем t=1400°С и тогда

Q" = 0,058*72700+0,0485*56800+0,00062*73 800+0,4254*45600+0,04* *47 606 = 28 432 кДж

Значит Q">Q. Определяем разность:

Q"- Q’=2492 кДж; ∆t=1400-1300=100°С

Q-Q'=27651-25940=1711 кДж; ∆t2 = t-1300°С

Следовательно, ∆t=11711*100/2492=69°С и t=1300+69=1369°С.

.3 Разработка алгоритма решения

.3.1 Порядок проведения работы

1    Ввод исходных данных.

2       Расчет материального баланса.

         Получение результатов работы.

3.3.2 Блок-схема

Рисунок 13 - блок схема разработки алгоритма программы

.3.3 Исходные данные

Состав [% (масс.)]: С - 70; Н2 - 6,5; О₂ - 10; S - 2,0; Na-1; зола - 5,5; влага - 5. Коэффициент избытка воздуха б=1,55. Относительная влажность воздуха 100%. Сланец и воздух поступают в топку с температурой 25 °С. Теплопотери (теплоотдача через стенки котла и унос теплоты со шлаком) 8% от общего прихода теплоты.

При 25 °С влажность при насыщении 23,1 г/мі. Расчет вести на 1 кг сланца.

.4 Структура программы

. Главная форма для расчета материального баланса горения эстонского сланца: для расчета необходимо ввести процентное соотношения исходных компонентов. Для упрощения расчета, данные автоматически подставляются, что позволяет ускорить расчет, а так же работу пользователя. Если исходные данные не соответствуют набору исходных компонентов, то пользователь с легкостью может изменить их самостоятельно.

Рисунок 14 - форма ввода исходных данных

. Результаты (рисунок 15) - главная форма, после обработки данных и расчётов, в которой содержатся результаты выполнения программы.

Рисунок 15- результаты выполнения программы

В целях более углубленных познаний в данной области, так же была разработана справка (рисунок 16). Здесь пользователь может подробно ознакомиться с процессом горения эстонского сланца, а так же посмотреть формулы и методы для расчета материального баланса.

Рисунок 16- результаты выполнения программы

.5 Разработка программного обеспечения

Данный программный комплекс может функционировать под управлением операционной системы (ОС) Microsoft Windows XP, Microsoft Windows 7, Microsoft Windows 8.

Выбор данных операционных систем обусловлен рядом преимуществ. К ним относятся:

)     широкая распространенность данных семейств ОС для персональных ЭВМ;

2)      большинство часто используемых программ спроектировано под Windows, что повышает её популярность;

)        лёгкость в использовании для пользователя (не требует специальных навыков и знаний);

)        эргономичный графический интерфейс;

)        наличие удобных средств для проектирования приложений под данную ОС;

)        облегчает возможность переноса программного продукта между различными ПК.

Для создания программного комплекса выбрана интегрированная среда разработки Microsoft Visual Studio 2012, так как данная среда удобна тем, что обеспечивает простое взаимодействие со всеми компонентами Windows. Язык программирования C#.

В таблице 5 представлены минимальные системные требования.

Таблица 5 - Минимальные системные требования

Вывод

В данном курсовом проекте была реализована программа для расчета материального баланса процесса горения эстонского сланца с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2012.

В данной курсовой работе были решены и автоматизированы следующие задачи:

·    удобный графический интерфейс, обеспечивающий комфортную работу с информацией: ввод новых данных справка о том, как работать с программой;

·        автоматизированный расчет материального баланса процесса горения эстонского сланца;

Список использованной литературы

2.      Гольцева Л.В. Курс лекций по дисциплине "Математическое моделирование химико-технологических процессов"

3.   Стрижакова, Ю.А. Горючие сланцы - альтернативное сырье для химии / Ю.А. Стрижакова, А.Л. Лапидус // Вестник РАН. - 2004. - Т.74. - №9. -С.823 - 829.

.     Шпирт, М.Я. Микроэлементы горючих и черных сланцев / М.Я. Шпирт, С.А. Пунанова, Ю.А. Стрижакова // Химия твердого топлива. - 2007. - №2. - С. 68-76.

5.      Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М., Высшая школа, 1978. 319 с

.        Стрижакова, Ю.А. Современные направления пиролиза горючих сланцев / Ю.А. Стрижакова, Т.В. Усова // Химия твердого топлива. 2009. - №4. - С. 8-13.

7.Усова, Т.В. К истории становления сланцевой промышленности РФ / Т.В. Усова, Ю.А. Стрижакова, И.А. Гараевская // Нефть. Газ и бизнес. - 2007. - №1. - С.53-58