Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару. Расчет процесса горения в печи. Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива. Гидравлический расчет змеевика печи. Тепловой баланс котла-утилизатора (процесс парообразования).
Аннотация к работе
В отраслях химического комплекса основной источник потерь энергии связан с путями ее использования. В производстве стекловолокна за счет утилизации теплоты, теряемой через кладку бассейна, на печи производительностью 14-18 т/сутки экономится около 8 тыс. т насыщенного пара в год и около 800 тыс. КВТ-час электроэнергии. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвективной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Для повышения эффективности использования теплоты первичного топлива на выходе из печи установлена утилизационная установка, состоящая из котла-утилизатора, воздухоподогревателя и КТАНА. Температура дымовых газов: тух - на выходе из печи; t1"-на входе в КУ; t2"-на выходе из КУ; t3’ - на входе в ВП; t4’-на выходе из ВП; t5’-на входе в скруббер; t6’-на выходе из скруббера.
Введение
. Постановка задачи 5
3.Описание технологической схемы 5
4. Технологический расчет 6
4.1 Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару 6
4.2. Расчет процесса горения в печи 8
4.3. Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива 11
8. Расчет энергетического КПД теплоутилизационной установки 21
9. Расчет эксергетического КПД процесса горения 21
10. Заключение 22
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 химической промышленности непосредственное потребление топлива на энергетические цели составляет около 1/8 суммарного энергопотребления. Около 40% сжигается в промышленных котельных и на ТЭУ для производства тепловой и электрической энергии. Остальная часть топлива (преимущественно твердого и газообразного) используется в технологических установках.
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.
Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР)
В химических отраслях достаточно хорошо используются ВЭР с высоким температурным потенциалом (тж>1500С, тг>3000С). 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). Традиционные решения утилизации теплоты НТП неприемлемы и по техническим, и по экономическим соображениям. В то же время доля НТП в химической отрасли доходит до 50% всех вторичных энергетических ресурсов.
Использование низкопотенциальных ВЭР связано с решением двух задач: · созданием надежной и эффективной системы теплопотребления;
В отечественной и зарубежной практике пока имеется очень небольшой опыт использования основных видов НТП - отходящих дымовых газов, сбросных вод, циркулирующих и продукционных потоков, конденсата, вторичного пара и т.п. Тем не менее, можно указать следующие основные технические средства утилизации: · Многоступенчатые установки с аппаратами мгновенного вскипания для использования теплоты загрязненных стоков;
· Многоступенчатые установки с аппаратами типа «тепловая труба» для использования теплоты агрессивных жидкостей;
· Контактные аппараты с различными насадками для использования теплоты отходящих газов (ОГ);
· Абсорбционные холодильные установки (водоаммиачные, бромистолитиевые и др.);
· Скрубберно-солевые установки для утилизации теплоты дымовых газов;
· Тепловые насосы (пароструйные, абсорбционные и компрессионные) для производства холода и теплоснабжения;
· Рекуперационные агрегаты для использования теплоты паровоздушной смеси в схеме рециркуляции;
· Регенеративные вращающиеся теплообменники, пластинчатые рекуператоры, теплообменники с промежуточным теплоносителем, с тепловыми трубами для использования теплоты вентиляционных выбросов;
· Рекуперативные и регенеративные воздухоподогреватели.
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).
В производстве стекловолокна за счет утилизации теплоты, теряемой через кладку бассейна, на печи производительностью 14-18 т/сутки экономится около 8 тыс. т насыщенного пара в год и около 800 тыс. КВТ-час электроэнергии. Программа изготовления и внедрения систем испарительного охлаждения на других производствах может обеспечить выработку теплоты в количестве до 850 тыс. ГДЖ в год.
Утилизация теплоты отходящих газов распылительной сушилки белой сажи для нагрева воды оценивается величиной 54 тыс. ГДЖ/год.
Использование ВЭР в химической технологии таит в себе огромнейшие резервы экономии различных видов энергии.
2.
Постановка задачи
Проанализировать работу печи перегрева водяного пара и для эффективности использования теплоты первичного топлива предложить теплоутилизационную установку вторичных энергоресурсов.
3. Описание технологической схемы
Печь перегрева водяного пара на установке производства стирола 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?1 до t?2. Питательная вода поступает в КУ с блока водоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деарацию. 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 t3 до температуры t4. 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: t1-на входе в печь; t2-на выходе из печи.
Температура дымовых газов: тух - на выходе из печи; t1"- на входе в КУ; t2"- на выходе из КУ; t3’ - на входе в ВП; t4’-на выходе из ВП; t5’- на входе в скруббер; t6’- на выходе из скруббера.
4.
Технологический расчет печи
4.1. Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3. Молекулярная масса смеси газов в топливе: Массовая доля газов в топливе: ; , , , .
4.1.4. Удельная газовая постоянная для каждого из газов в смеси: .
, 4.1.5. Плотность топливного газа при н.у. и при рабочих условиях:
4.1.6. Удельный объем топливного газа: .
4.1.7. Парциальное давление газов в смеси:
4.1.8. Определение свойств водяного пара
Известно, что: производительность печи по водяному пару G=4,5 кг/с, давление пера на входе Р1=1.0 МПА ? 10 бар = 9,87ат, температура пара на входе в печь t1=179?С, температура пара на выходе из печи t2=730?С.
По таблице [1] определяем свойства кипящей воды и сухого насыщенного пара
Таблица 1 t,?C Р=10 bar
730 ts=1790C v??=0,1980 h??=2775,25 s??=6,5990 v h s
0,4709 3988,61 8,3446
Изменение энтальпии: Н - изменение энтальпии, приходящееся на 4,5кг.
Изменение энтропии: Расчетным методом определим энтальпию перегретого пара и сравним ее значение с табличным.
Ошибка по энтальпии: Ошибка по температуре кипения: Изменение внутренней энергии: , Рассчитанные по полиномиальным уравнениям:
4.2. Расчет процесса горения в печи
4.2.1. Определение основных характеристик топлива:
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
СО2 12.65
4.2.2. Элементарный состав топлива определяем по формулам:
4.2.3. Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания единицы количества топлива , кг/кг, вычисляется по формуле: , где: ?=1,16 - коэффициент избытка воздуха.
4.2.4. Количество продуктов сгорания:
или .
Рассчитаем объем продуктов сгорания , а также содержание каждого компонента в массовых ( ) и объемных ( ) долях по формулам: , , , Результаты расчетов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование CO2 H2O N2 O2 ? масса i-го комп. кг/кг 1,5253 0,9259 7,8828 0,3093 10,64 масс. %, 14,33128,699174,06352,9061100 объем i-го комп., м3/кг 0,7763 1,1512 6,3032 0,2165 8,4473 объем. %, 9,190513,628174,61812,5632100
4.2.4. Рассчитаем энтальпию продуктов сгорания: , где: t - температура, К, - теплоемкость i-го компонента, КДЖ/(кг?E), mi - масса i-го компонента, кг/кг
4.3.2. КПД печи: , где: - потери в окружающую среду, при , - низшая теплота сгорания топлива.
КПД топки: .
4.3.3. Расход топлива: 4.3.4. Расчет радиантной камеры: , где: - энтальпия дымовых газов при температуре перевала печи тп = 852,30С.
Проверим распределение нагрузки в печи: , т.е. условия соблюдены.
4.3.5. Тепловая нагрузка конвекционной камеры: 4.3.6. Энтальпия водяного пара на входе в радиантную камеру: При давлении Р1 = 9,87 атм значение температуры водяного пара на входе в радиантную секцию tk =3150C.
4.3.7. Температура экрана в рассчитываемой печи: 4.3.8. Максимальная температура горения топлива: , где - удельная теплоемкость при температуре перевала.
4.3.9. Для тп и tmax по графикам определяем теплонапряженность абсолютно черной поверхности qs: Таблица 4 q, 0C 200 400 600 qs, Вт/м2 178571,43 150000 117857,14
Определяем теплонапряженность при q = 542,50С: qs = 127098,21 Вт/м2.
Таким образом, полный тепловой поток, внесенный в топку:
4.3.10. Эквивалентная абсолютно черной поверхность равна: .
4.3.11. Принимаем степень экранирования кладки y = 0,45; для a=1,05 примем .
Yena?aaoe?aneee iaoia aiaeeca yia?aioaoiieiae?aneeo nenoai iicaieyao iaeaieaa iauaeoeaii e ea?anoaaiii ioaieou yia?aaoe?aneea iioa?e, eioi?ua ieeae ia auyaey?ony i?e iau?iie ioaiea n iiiiuu? ia?aiai caeiia oa?iiaeiaieee. A ea?anoaa e?eoa?ey a ?anniao?eaaaiii neo?aa eniieucoaony yena?aaoe?aneee EIA, eioi?ue ii?aaaeyaony eae ioiioaiea ioaaaaiiie yena?aee e iiaaaaaiiie yena?aee: eee 24,095%, aaa Aiiaa - yena?aey oiieeaa, IA?/ea; Aioa - yena?aey, aini?eiyoay iioieii aiayiiai ia?a a ia?e e eioea-ooeeecaoi?a.
Oaeei ia?acii, ?ann?eouaaai: .
Aey iioiea aiayiiai ia?a, iaa?aaaaiiai a ia?e: , aaa Iai2 e Iai1 - yioaeuiey aiayiiai ia?a ia auoiaa e aoiaa a ia?u niioaaonoaaiii, G - ?anoia ia?a a ia?e, ea/n, - eciaiaiea yio?iiee aiayiiai ia?a, Aey iioiea aiayiiai ia?a, iieo?aaiiai a EO: , aaa: - ?anoia ia?a a EO, ea/n, - yioaeuiey ianuuaiiiai aiayiiai ia?a i?e auoiaa ec EO, EA?/ea, - yioaeuiey ieoaoaeuiie aiau ia aoiaa a EO, EA?/ea, 10.
Caee??aiea.
Iineieueo EIA oaiei-ooeeecaoeiiiie onoaiiaee ninoaaeyao 92%, oi anou anaai 8% oaiea oa?yaony a oiaa i?ioanna ooeeecaoee, ii?ii naaeaou auaia i oaeaniia?aciinoe eniieuciaaiey iiaiaiuo onoaiiaie a oaeyo yeiiiiee. Aiaa?aiea a iniiaio? oaoiieiae?aneo? noaio aiia?aoia iiaiaiiai aaenoaey aeaaioai?ii neacuaaaony ia ?anoiaiaaiee yia?aaoe?aneeo ?ano?nia e aeiee?oao eo iioa??.