Расчёт установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов
Федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего профессионального образования
Самарский
государственный технический университет
Кафедра:
"Химическая технология и промышленная экология"
Курсовая
работа
Расчёт
установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов
Выполнил студент III-ХТ-1:
Пантюхова С.М.
Проверил:
Чуркина А.Ю.
Самара
2013
Содержание
Введение
.
Постановка задачи
.
Технологическая схема теплоутилизационной установки
.
Технологический расчет печи
.
Гидравлический расчёт змеевика печи
.
Расчет котла-утилизатора
.
Тепловой баланс воздухоподогревателя
.
Расчет КТАНа
.
Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки
.
Эксергетический анализ системы "печь-котел-утилизатор"
Заключение
Список
используемых источников
Графическое
приложение
Введение
Одной из наиболее важных задач успешного
развития экономики России является снижение потребления энергии и ресурсов на
базе высоких эффективных технологий, которые позволяют решить одновременно и
экологические проблемы. В нефтяной промышленности сбережение энергии и ресурсов
достигается применением более экономичных технологий и техники, позволяющих
снижать удельные энерго- и ресурсозатраты на добычу 1 т нефти, и сокращением потерь
углеводородов [3].
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 [1].
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) [1].
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 (>4000°С) сопровождаются потерями энергии, достигающими в среднем
68% [1].
В настоящее время существуют технологические
процессы с материальными и энергетическими отходами. На технологический процесс
расходуется определённое количество топлива, электрической и тепловой энергии,
и сами технологические процессы протекают с выделением различных энергетических
ресурсов - теплоносителей, горючих продуктов, газов и жидкостей с избыточным
давлением. Однако не всё количество этой энергии используется в технологическом
процессе или агрегате; такие неиспользуемые энергетические отходы называют
вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР). Утилизация этих ресурсов связана с
определёнными затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает
необходимость экономической оценки целесообразности такой утилизации [1].
Под ВЭР понимают энергетический потенциал
продуктов, образующихся при технологических процессах. Термин
"энергетический потенциал" означает наличие определённого запаса
энергии [1].
Следует отметить, что пока ещё большое
количество тепловой энергии теряется при так называемом "сбросе"
промышленных сточных вод, имеющих температуру 40-60°С и более, при отводе
дымовых газов с температурой 200-300°С, а также в вентиляционных системах
промышленных и общественных зданий, животноводческих комплексов (температура
удаляемого из этих помещений воздуха не менее 20 ч 25°С). Особенно значительны
объемы тепловых вторичных ресурсов в чёрной металлургии, в газовой,
нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности [1].
По мере увеличения затрат на добычу топлива и
производства энергии возрастает необходимость в более полном использовании их
при преобразовании в виде горючих газов, тепла нагретого воздуха и воды. Хотя
утилизация ВЭР нередко связана с дополнительными капитальными вложениями и
увеличением численности обслуживающего персонала, опыт передовых предприятий
подтверждает, что использование ВЭР экономически весьма выгодно. На
нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах капитальные вложения в
утилизационные установки окупаются в среднем за 0,8-1,5 года [1].
Таким образом, повышение уровня утилизации
вторичных энергетических ресурсов обеспечивает не только значительную экономию
топлива, капитальных вложений и предотвращения загрязнения окружающей среды, но
и существенное снижение себестоимости продукции нефтеперерабатывающих и
нефтехимических предприятий [1].
1. Постановка задачи
В соответствии с заданием предполагается
выполнить:
· расчет и выбор печи перегрева
водяного пара
· расчет и выбор котла-утилизатора
· расчет воздухоподогревателя
· расчет КТАНа
. Технологическая схема теплоутилизационной
установки
Схема теплоутилизационной установки приведена на
рис.1.
Водяной пар с ТЭЦ поступает в камеру конвекции
печи перегрева водяного пара с tвп1 = 1520С и Р1 = 0,5 МПА. Также в печь
подается топливо с tт = 100С и воздух с tв = 250С. Образующиеся при горении
топлива дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, затем в конвекционной
камерах водяному пару. Перегретый водяной пар с tвп2 = 6900С и Р2 = 0,5 МПа
поступает к потребителю. Продукты сгорания покидают печь с tух = 3000С и
поступают в котел-утилизатор, где отдают свою теплоту воде, при этом охлаждаясь
до tдг2 = 1900С. Вода поступает в КУ через насос с блока водоподготовки с θн
= 600С и покидает КУ с θк = 1520С,
направляясь на смешение с водяным паром, поступающим в печь. Затем дымовые газы
поступают в воздухоподогреватель с tдг3 = 1900С, отдают теплоту воздуху и
выходят из аппарата с tдг4 = 1300С.Воздух поступает в ВП с t0в-ха = 120С,
покидает ВП с tхв-ха = 870С и направляется в печь вместе с поступающим
топливом.
Схема установки утилизации теплоты дымовых газов
Рис. 1.
- печь перегрева водяного пара; 2 - блок
водоподготовки; 3 - насос; 4 -котел-утилизатор; 5 - воздухоподогреватель; 6 -
воздуходувка; 7-КТАН; 8 - дымосос.
. Технологический расчет печи
Расчет процесса горения в печи
Основной характеристикой топлива является
теплота сгорания. Высшая и низшая теплоты сгорания отличаются на теплоту
конденсации водяных паров. Низшую теплоту сгорания топлива, состоящего из смеси
углеводородов определяем по формуле 1 [1]:
(1)
где Qpiн - теплота сгорания i-гo компонента
топлива;
yi - концентрация i-гo компонента топлива в
долях от единицы.
Значения взяты
из таблицы 1.
Таблица 1
Низшая теплота сгорания топлива
Компонент
|
, МДж/м3
|
СН4
|
35,84
|
С2Н6
|
63,8
|
С3Н8
|
91,32
|
С4Н10
|
118,73
|
С5Н12
|
146,1
|
Содержание элементов (углерода, водорода, азота
и кислорода соответственно) в % масс. определяем по формулам (2)-(5) [1]:
(2)
(3)
(4)
(5)
Молярная масса топлива находится по формуле 6
[1]:
(6)
где Mi - молярная масса i-гo компонента топлива.
Плотность топлива найдем по формуле 7:
(7)
Тогда Qрнсм, выраженная в МДж/кг, по формуле (8)
[1] равна:
(8)
Теоретическое количество воздуха, необходимое
для сгорания единицы количества топлива L0, кг/кг, вычисляется по формуле 9
[6]:
(9)
Действительный расход воздуха найдем по формуле
10 [6]:
(10)
где L - действительный расход воздуха;
α - коэффициент избытка
воздуха.
Количество продуктов сгорания рассчитаем по
формулам (11)-(14) [1]:
(11)
(12)
(13)
(14)
где mCO2, mH2O, mN2, mO2 - масса соответствующих
газов, кг.
Тогда общую массу продуктов сгорания можно
определить как сумму количеств всех продуктов сгорания по формуле 15 [1]:
(15)
Сравним полученные величины по формуле 16 [1]:
(16)
Поскольку топливо - газ, содержанием влаги в
воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара (Wф) не учитываем.
Рассчитаем объем продуктов сгорания ,
а также содержание каждого компонента в массовых ()
и объемных () долях по формуле
17 [1]:
(17)
где mi - масса соответствующего газа,
образующегося при сгорании 1 кг топлива;
ρi - плотность данного
газа при нормальных условиях, кг/м3;
Мi- молярная масса данного газа, кг/кмоль;
22,4 - молярный объем, м3/кмоль
Общий объем продуктов сгорания найдем как сумму
объемов всех продуктов сгорания по формуле 19 [1]:
19)
Найдем плотность дымовых газов при нормальных
условиях по формуле 20 [1]:
(20)
Рассчитаем энтальпию продуктов сгорания по
формуле 21 [1]:
(21)
где ср - средняя удельная теплоемкость при
постоянном давлении газов при температуре t, .
Результаты расчетов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Энтальпия продуктов сгорания
t,
°C
|
T,
K
|
Ht
, п.с., кДж/кг
|
0
|
273
|
0,0
|
100
|
373
|
2027
|
200
|
473
|
4096
|
300
|
573
|
6217
|
400
|
673
|
8392
|
500
|
773
|
10615
|
600
|
873
|
12900
|
700
|
973
|
15246
|
800
|
1073
|
17640
|
1000
|
1273
|
22540
|
1500
|
1773
|
36510
|
Построим график зависимости: ;
(Рис. 2).
Рис. 2 График зависимости энтальпии от
температуры.
Тепловой баланс печи, определение КПД печи и
расхода топлива.
Полезная тепловая нагрузка печи ,
Вт находится по формуле 22 [1]:
(22)
где - количество перегреваемого водяного пара в
единицу времени, кг/с;
, .
КПД печи найдем по формуле 23 [1]:
(23)
где -
потери в окружающую среду,
при .
Расход топлива найдем по формуле 24 [1]:
(24)
Расчет радиантной камеры и камеры конвекции.
Тепловой поток, воспринятый водяным паром в
радиантных трубах ищем по формуле 25 [1]:
(25)
где -
коэффициент полезного действия топки;
- энтальпия
дымовых газов при температуре перевала печи .
Тепловой поток, воспринятый водяным паром в
конвекционных трубах рассчитываем по формуле 26 [1]:
(26)
Энтальпию водяного пара на входе в радиантную
камеру ищем по формуле 27 [1]:
(27)
Принимаем величину потерь давления в
конвекционной камере , тогда .
При давлении Рк = 0,35 значение температуры
водяного пара на входе в радиантную секцию tк = 336 0С [8].
Температура наружной поверхности радиантных труб
(экрана) ищем по формуле 28 [1]:
(28)
Максимальную температуру горения топлива найдем
по формуле 29 [1]:
(29)
где: to - температура воздуха, подаваемого на
горение,
- удельная
теплоемкость при температуре перевала.
Рассчитаем полный тепловой поток, внесенный в
топку, по формуле 30 [1]:
(30)
Для tп = 8000С и tmax = 1921 0С по
графикам [5] определяем теплонапряженность абсолютно черной поверхности qs:
Таблица 3
Значения теплонапряженности
q, 0С
|
200
|
400
|
600
|
qs,
Вт/м2
|
130000
|
110000
|
75000
|
Строим график по данным таблицы 3, рис. 3.
Рис. 3 График зависимости теплонапряженности от
температуры.
По графику (Рис. 3) определяем
теплонапряженность при q = 5330С: qs = 86713 Вт/м2.
Предварительное значение площади эквивалентной
абсолютно черной поверхности ищем по формуле 31 [1]:
(31)
По графику [9] принимаем степень экранирования
кладки y
= 0,45; для a=1,10 примем:
.
Эквивалентная плоская поверхность рассчитывается
по формуле 32 [1]:
(32)
.
Диаметр радиантных труб ,
диаметр конвекционных труб .
Принимаем однорядное размещение труб и шаг между
ними .
Для этих значений фактор формы К= 0,87 [9].
Величина заэкранированности поверхности кладки
рассчитана по формуле 33 [1]:
(33)
.
Поверхность нагрева радиантных труб нашли по
формуле 34 [1]:
(34)
.
Таким образом, выбираем печь
Таблица 4
Характеристика печи
Шифр
|
|
Поверхность
камеры радиации, м2
|
124
|
Поверхность
камеры конвекции, м2
|
124
|
Рабочая
длина печи, м
|
12
|
Ширина
камеры радиации, м
|
1,2
|
Способ
сжигания топлива
|
Беспламенное
горение
|
Длина .
Число труб в камере радиации найдем по формуле
35 [1]:
(35)
.
Теплонапряженность радиантных труб рассчитаем по
формуле 36 [1]:
печь
пар котёл утилизатор
(36)
.
Число конвективных труб рассчитаем по формуле 37
[1]:
(37)
.
Располагаем трубы в шахматном порядке по 3 в
одном горизонтальном ряду, шаг между трубами .
Средняя разность температур находится по формуле
38 [1]:
(38)
Значение коэффициента теплопередачи в
конвекционной камере рассчитаем по формуле 39 [1]:
(39)
Теплонапряженность поверхности конвективных труб
найдем по формуле 40 [1]:
(40)
. Гидравлический расчет змеевика печи
Гидравлический расчет представляет собой
определение потерь давления водяного пара в камерах радиации и конвекции.
Проведем расчет для камеры конвекции по [7].
Средняя скорость водяного пара вычисляется по формуле 41:
(41)
где -
плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции:
;
;
;
dк - внутренней диаметр конвекционных труб, м;-
число потоков.
Кинематическая вязкость водяного пара при
средней температуре и давлении в камере конвекции .
Значение критерия Рейнольдса рассчитываем по
формуле 42:
(42)
Общая длина труб на прямом участке:
(43)
.
По [7] определим коэффициент гидравлического
трения:
;
Коэффициент гидравлического трения: .
Потери давления на трение:
(45)
Потери давления на местные сопротивления:
(46)
где -
коэффициент сопротивления при повороте на 1800С.
Общая потеря давления:
(47)
.
Проведем расчет для камеры радиации по [7].
Средняя скорость водяного пара в трубах радиационной камеры:
(48)
где -
плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции;
;
;
р
- внутренней диаметр конвекционных труб, м;- число потоков.
Кинематическая
вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере радиации .
Значение
критерия Рейнольдса:
(49)
Общая
длина труб на прямом участке:
(50)
.
По
[7] определяем коэффициент гидравлического трения:
Коэффициент
гидравлического трения:
Потери
давления на трение:
(51)
Потери
давления на местные сопротивления:
(52)
где
-
коэффициент сопротивления при повороте на 1800С.
Общая
потеря давления в камере радиации: (53)
Общие
потери давления в печи по водяному пару:
(54)
5.
Расчет котла-утилизатора
Эскиз
котла-утилизатора представлен на рис. 4.
Схема
котла-утилизатора
Рис.
4.
Находим
среднюю температуру дымовых газов [1]: (55)
Массовый
расход дымовых газов [1]: (56)
- масса
дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива.
Для
дальнейших расчетов найдем значения удельной энтальпии теплоносителей и сведем
их в таблицу 5. Для дымовых газов удельные энтальпии определим исходя из данных
таблицы 1 и рис. 2 по формуле:
(57)
Таблица
5
Энтальпии
теплоносителей
теплоноситель
|
Температура,
оС
|
Удельная
энтальпия, кДж/кг
|
дымовые
газы
|
300
|
338,5
|
|
190
|
214,6
|
питательная
вода
|
60
|
251,4
|
|
152
|
640,1
|
насыщенный
водяной пар
|
152
|
2748,1
|
Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами
[1]:
(58)
где -
энтальпии дымовых газов на входе и на выходе соответственно.
Тепловой поток, воспринятый водой [1]:
(59)
где -
коэффициент использования теплоты в КУ.
Паропроизводительность котла-утилизатора [1]:
(60)
где -
сухость пара;
- энтальпии
насыщенного водяного пара и питательной воды (60°С) соответственно.
Для определения поверхности КУ используется позонный
расчет. В испарителе имеются две зоны - нагрева и испарения.
Тепловой поток, воспринимаемый водой в зоне
нагрева [1]:
(61)
где =
энтальпия питательной воды при температуре испарения (152°С).
Тепловой поток, предаваемый дымовыми газами воде
в зоне нагрева (полезная теплота) [1]:
(62)
где -
энтальпия дымовых газов при температуре tХ.
Из формулы выражаем:
(63)
Энтальпия сгорания 1 кг топлива [1]:
(64)
По рис. 2 температура дымовых газов,
соответствующая значению : .
Для определения средней разности температур
теплоносителей в зоне нагрева котла-утилизатора необходимо изобразить схему их
противоточного движения. На схему наносим температуры, с которыми теплоносители
поступают в зону нагрева:
Средняя разность температур в зоне нагрева [1]:
(65)
Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева
[1]:
(66)
где -
коэффициент теплопередачи, принятый по [9].
Среднюю разность температур в зоне испарения
определяем с использованием следующего рисунка:
(67)
Площадь поверхности теплообмена в зоне испарения
[1]:
(68)
Суммарная площадь поверхности теплообмена [1]:
(69)
В соответствии с ГОСТ 14248-79 выбираем
стандартный испаритель с паровым пространством со следующими характеристиками:
Диаметр
кожуха, мм
|
1200
|
Число
трубных пучков, шт
|
1
|
Число
труб в одном пучке, шт
|
310
|
Поверхность
теплообмена, м2
|
120
|
Площадь
сечения одного хода по трубам, м2
|
0,031
|
Δtср>50 0С,
поэтому выбираем аппарат с плавающей головкой, который обеспечивает снятие
температурных напряжений.
6. Тепловой баланс воздухоподогревателя
Схема воздухоподогревателя представлена на рис.
5.
Схема воздухоподогревателя
Рис. 5.
Расчеты ведем по [1].
Атмосферный воздух с температурой поступает
в аппарат, где нагревается до температуры за
счет теплоты дымовых газов.
Расход воздуха определяется исходя из
необходимого количества топлива по формуле 70:
(70)
где -
расход топлива;
- действительный
расход воздуха для сжигания 1 кг топлива.
Дымовые газы, отдавая свою теплоту, охлаждаются
от до
.
Тепловой поток, отданный дымовыми газами:
(71)
где -
энтальпии дымовых газов при температурах и
соответственно.
Тепловой поток, воспринятый воздухом:
(72)
где -
коэффициент использования теплоты в воздухоподогревателе;
- средняя удельная
теплоемкость воздуха.
Конечная температура воздуха определяется из
уравнения теплового баланса:
(73)
.
7. Расчет КТАНа
Схема контактного аппарата с активной насадкой
представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема КТАНа
После воздухоподогревателя дымовые газы
поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН), где их температура
снижается от до .
Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя
раздельными потоками воды. Один поток вступает в непосредственный контакт с
дымовыми газами, а другой обменивается с ними теплотой через стенку змеевика.
Расчет ведем по [1]. Тепловой поток, отданный
дымовыми газами:
(74)
где энтальпии
дымовых газов при температурах и соответственно.
Тепловой поток, воспринятый водой:
(75)
где -
расход охлаждающей воды;
- средняя удельная
теплоемкость воды;
- температуры воды
на входе и выходе из КТАНа соответственно.
Тогда количество охлаждающей воды определяется
из уравнения теплового баланса:
(76)
где -
кпд КТАНа.
Тогда:
.
. Расчет коэффициента полезного действия
теплоутилизационной установки
При определении величины КПД синтезированной
системы ()
используется традиционный подход. Расчет КПД теплоутилизационной установки
осуществляется по формуле:
(77)
где
. Эксергетическая оценка системы
"печь-котел-утилизатор"
Эксергетический метод анализа
энерготехнологических систем позволяет наиболее объективно и качественно
оценить энергетические потери, которые никак не выявляются при обычной оценке с
помощью первого закона термодинамики. В качестве критерия оценки в
рассматриваемом случае используется эксергетический КПД, который определяется
как отношение отведенной эксергии к эксергии, подведенной в систему:
(78)
В случае газообразного топлива подведенная
эксергия складывается из эксергии топлива ()
и эксергии вохжуха ():
(79)
, (80)
где Нн и Н0 - энтальпии воздуха при температуре
входа в топку печи и температуре окружающей среды соответственно, кДж/кг;
Т0=298 К (250С);
ΔS - изменение энтропии
воздуха, кДж/(кг К).
В большинстве случаев величиной эксергии воздуха
можно пренебречь:
Отведенная эксергия для рассматриваемой системы
складывается из эксергии, воспринятой водяным паром в печи (),
и эксергии, воспринятой водяным паром в КУ ().
Для потока водяного пара, нагреваемого в печи:
(81)
где -
расход пара в печи;
энтальпии водяного
пара на входе и выходе из печи соответственно.
;
- изменение
энтропии водяного пара в процессе его перегрева;
.
Для потока водяного пара, получаемого в КУ:
(82)
где -
расход пара в КУ;
- энтальпии
насыщенного водяного пара и питательной воды (60°С) соответственно;
.
(83)
Заключение
Произведен расчет и выбор печи перегрева
водяного пара и котла-утилизатора, составлен тепловой баланс
воздухоподогревателя, рассчитан КТАН, определен КПД установки, произведена
эксергетическая оценка установки.
Список используемых источников
1. Техническая
термодинамика и теплотехника: Метод. Указ. к курсовой работе / СамГТУ; Сост.
Н.В. Финаева, А.Ю. Чуркина. Самара, 2005.
2. Пути
использования вторичных энергоресурсов в химических производствах / Д.И, Хараз,
Б.И. Псахис. М.:Химия, 1984.
. Основные
направления развития энергетики химической промышленности / М.А. Вяткин, Н.И.
Рябцев, С.Д. Чураков. М.: Химия,1987.
. Вукалович
М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение,1967.
. Трубчатые
печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебное пособие / В.В. Шарихин, Н.Р.
Ентус, А.А. Коновалов, А.А. Скороход. М.: Сенсоры. Модули. Системы, 2000.
. Основные
процессы и аппараты химической технологии: Учебник для ВУЗов / А.Г. Касаткин.
М.: Альянс, 2005.
. Примеры
и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие
для ВУЗов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова.
Л.: Химия, 2007.
8.
Теплофизические свойства воды и пара. Система уравнений IAPWS Formulation 95.
Иванов М.Ю. Parvo95.
.
Теория горения и топочные устройства: Учебн. пособ. Для теплоэнергетических
специальностей вузов / Д.М. Хзмалян, Я.А.Каган; Под ред. Д.М. Хзмаляна. М.:
Энергия, 1982. 487 с.
Графическое приложение
Рис. 1. Схема установки утилизации теплоты
дымовых газов
- печь перегрева водяного пара;
-блок водоподготовки;
-насос;
-котел-утилизатор;
-воздухоподогреватель;
-воздуходувка;
- КТАН;
-дымосос.
Температура водяного пара:
-на входе в печь; -на
выходе из печи.
Температура дымовых газов:
- на выходе из
печи; -на
входе в КУ; -на выходе из КУ;
-на входе в ВП; -
на выходе из ВП; - на входе в КТАН;
-на выходе из
КТАНа.
Температура воды: -
на входе в КУ; - на выходе из КУ.
Рис. 2. График зависимости
Рис.3 График зависимости
Рис. 5. Схема котла-утилизатора
Рис. 6. Профиль изменения температур в КУ
Рис. 7. Схема воздухоподогревателя
Рис. 8. Схема КТАНа
Рис. 9. Схема распределения теплоты на
теплоутилизациооной установке