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



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2018 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ