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 ?н = 600С и покидает КУ с ?к = 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/м3СН435,84С2Н663,8С3Н891,32С4Н10118,73С5Н12146,1
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;
? - 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;
?i - 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, °CT, KHt , п.с., кДж/кг02730,0100373202720047340963005736217400673839250077310615600873129007009731524680010731764010001273225401500177336510
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, 0С200400600qs, Вт/м213000011000075000
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
ШифрПоверхность камеры радиации, м2124Поверхность камеры конвекции, м2124Рабочая длина печи, м12Ширина камеры радиации, м1,2Способ сжигания топливаБеспламенное 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)
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
теплоносительТемпература, оСУдельная энтальпия, кДж/кгдымовые газы300338,5190214,6питательная вода60251,4152640,1насыщенный водяной пар1522748,1
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, мм1200Число трубных пучков, шт1Число труб в одном пучке, шт310Поверхность теплообмена, м2 120Площадь сечения одного хода по трубам, м20,031
?tср>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);
?S - 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
Больше работ по теме:
Предмет: Физика
Тип работы: Курсовая работа (т)
Новости образования
КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]
Скачать реферат © 2018 | Пользовательское соглашение
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ