Расчёт установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

1. Постановка задачи

2. Технологическая схема теплоутилизационной установки

3. Технологический расчет печи

4. Гидравлический расчёт змеевика печи

5. Расчет котла-утилизатора

6. Тепловой баланс воздухоподогревателя

7. Расчет КТАНа

8. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

9. 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

2. 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 ин = 600С и покидает КУ с ик = 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.

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

3. 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;

б - 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;

сi - 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

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 = 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 = 0,45; для =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)

4. 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;

z - 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;

;

;

dр - внутренней диаметр конвекционных труб, м;

n - 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)

где - расход топлива;

- 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

Дtср>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:

.

8. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

При определении величины КПД синтезированной системы () используется традиционный подход. Расчет КПД теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:

 (77)

где

9. 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);

ДS - 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.

3. Основные направления развития энергетики химической промышленности / М.А. Вяткин, Н.И. Рябцев, С.Д. Чураков. М.: Химия,1987.

4. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение,1967.

5. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебное пособие / В.В. Шарихин, Н.Р. Ентус, А.А. Коновалов, А.А. Скороход. М.: Сенсоры. Модули. Системы, 2000.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для ВУЗов / А.Г. Касаткин. М.: Альянс, 2005.

7. 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.

9. 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

1- печь перегрева водяного пара;

2-блок водоподготовки;

3-насос;

4-котел-утилизатор;

5-воздухоподогреватель;

6-воздуходувка;

7- КТАН;

8-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

Размещено на Allbest.ru