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.