Расчет установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

метки: Теплота, Утилизация, Промышленный, Печной, Выброс, Температура, Нагрев, Сгорание

Прогрессивное направление и развитие промышленности — создание безотходных производств, по технологии которых используются все элементы производственного процесса, а также энергия реакции технологических процессов для получения полезной продукции. Получаемая из вне энергия необходима лишь для запуска и резервирования, то есть безаварийной остановки технологического процесса. Так в настоящее время используются технологические процессы производства аммиака, метанола, высших спиртов и некоторых других химических продуктов, основанные на принципе энерготехнологического комбинирования с максимальным использованием выделяемой энергии при различных реакциях.

В настоящее время и в ближайшей перспективе ещё будут существовать технологические процессы с материальными и энергетическими отходами. На технологический процесс расходуется определённое количество топлива, электрической и тепловой энергии. Кроме того, 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 в процессе (агрегате) энергетические отходы называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР).

Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов достаточно велико. Поэтому полезное их использование — одно из важнейших направлений экономии энергетических ресурсов. Утилизация этих ресурсов связана с определёнными затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает необходимость экономической оценки целесообразности такой утилизации.

Под ВЭР понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся при технологических процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использоваться для энергосбережения других агрегатов (процессов).

Термин “энергетический потенциал” здесь следует понимать в широком смысле, он означает наличие определённого запаса энергии — химически связанного тепла, физического тепла, потенциальной энергии избыточного давления и напора, кинетической энергии и др.

Химически связанное тепло продуктов топливоперерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных, углеобогатительных и др.) к ВЭР не относятся.

Ядерная энергия и ядерные энергетические установки

... ядерной энергии и угля дает человечеству возможность избежать этого, результаты фундаментальных исследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования энергии, ... части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его распада, то ... энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона изменяется от ядра к ядру. Часто вместо энергии ...

Классификация вторичных энергетических ресурсов промышленности:

ВЭР промышленности делятся на три основные группы:

• горючие
• тепловые
• избыточного давления

Горючие (топливные) ВЭР — химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырья, а именно:

• побочные горючие газы плавильных печей (доменный газ, колошниковый, шахтных печей и вагранок, конверторный и т.д.),
• горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого сырья (синтез, отходы электродного производства, горючие газы при получении исходного сырья для пластмасс, каучука и т.д.),
• твёрдые и жидкие топливные отходы, не используемые (не пригодные) для дальнейшего технологической переработки,
• отходы деревообработки, щелока целлюлозно-бумажного производства.

Горючие ВЭР используются в основном как топливо и немного (5%) на не топливные нужды (преимущественно в качестве сырья).

Тепловые ВЭР — это тепло отходящих газов при сжигании топлива, тепло воды или воздуха, использованных для охлаждения технологических агрегатов и установок, теплоотходов производства, например, горячих металлургических шлаков.

Одним из весьма перспективных направлений использования тепла слабо нагретых вод является применение так называемых тепловых насосов, работающих по тому же принципу, что и компрессорный агрегат в домашнем холодильнике. Тепловой насос отбирает тепло от сбросной воды и аккумулирует тепловую энергию при температуре около 90 °С, иными словами, эта энергия становится пригодной для использования в системах отопления и вентиляции.

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.

ВЭР избыточного давления (напора) — это потенциальная энергия газов, жидкостей и сыпучих тел, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением (напором), которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей, газов, сыпучих тел или при выбросе их в атмосферу, водоёмы, ёмкости и другие приёмники. Сюда же относится избыточная кинетическая энергия.

Вторичные энергетические ресурсы избыточного давления преобразуются в механическую энергию, которая или непосредственно используется для привода механизмов и машин или преобразуется в электрическую энергию.

Примером применения этих ресурсов может служить использование избыточного давления доменного газа в утилизационных бескомпрессорных турбинах для выработки электрической энергии.

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.

Топливно-энергетические ископаемые: (нефть, газ, уголь, горючие ...

... группе так называемых каустобиолитов - горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также другие ископаемые топлива (торф, бурые и каменный уголь, антрацит, сланцы). 1.1.1 Физические свойства Нефть - жидкость от светло-коричневого ...

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. Постановка задачи

Уходящие из установок тепловые вторичные энергетические ресурсы несут, как правило, значительное количество теплоты. Эта теплота может быть полезно использована двумя способами:

1. Возвратом тепла в установку — регенеративное теплоиспользование;

2. Использованием его в другой установке — внешнее теплоиспользование.

В определенных случаях возможно использование теплоты вторичных энергоресурсов за счет непосредственного их возврата в установку. Например, теплый вентиляционный воздух из помещения может частично возвращаться туда уже в качестве приточного воздуха. Осуществляется так называемая рециркуляция. Рециркуляция — наиболее простой и дешевый способ регенеративного использования вторичных энергетических ресурсов. Ее осуществление требует минимальных капитальных затрат. Полная рециркуляция уходящих из теплоиспользующих установок газов и жидкостей без их дополнительной обработки невозможна. Однако, даже частичная рециркуляция возможна далеко не всегда.

Например, запыленный, имеющий токсичные примеси или неприятный запах вентиляционный воздух не должен возвращаться в помещение по санитарным нормам. В этих случаях для утилизации тепла вторичных энергоресурсов путем подогрева веществ, поступающих в установку, используют теплообменные аппараты.

В некоторых случаях при внешнем теплоиспользовании можно использовать ВЭР напрямую (не используя теплообменные аппараты).

Например, горячие дымовые газы после разбавления воздухом можно направить в сушильную установку. Если же дымовые газы вследствие их загрязненности нельзя использовать для сушки материала по требованиям технологического процесса, их направляют в теплообменник для нагрева воздуха, который используется в качестве сушильного агента. Первый из этих способов экономичнее, поскольку не требует больших капитальных затрат.

Использование ВЭР в химической технологии таит в себе огромнейшие резервы экономии различных видов энергии.

Целью данного курсового проекта является технологический расчет одного из возможных способов использования теплоты отходящих дымовых газов, образующихся при сжигании первичного топлива в технологической печи.

Задача данного курсового проекта: Расчет установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

2. Описание технологической схемы

Схема теплоутилизационной установки приведена в графическом приложении на рис. 1.

Печь перегрева водяного пара предназначен для повышения температуры насыщенного водяного пара до необходимой величины. Источником теплоты является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем в конвекционной камере камерах сырьевому потоку (водяному пару).

Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь, имея достаточно высокую температуру (450-500 0С).

Для повышения эффективности использования теплоты первичного топлива на выходе из печи устанавливается утилизационная установка. В предлагаемом варианте она представлена котлом-утилизатором (КУ) и воздухоподогревателем (ВП).

Теплоносителем в КУ являются дымовые газы, покинувшие печь. В результате протекания процесса теплообмена в котле-утилизаторе температура дымовых газов снижается от до . Питательная вода поступает в КУ с блока водоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деаэрацию. На выходе из котла-утилизатора образуется насыщенный водяной пар. Параметры работы КУ выбираются таким образом, чтобы температура насыщенного водяного пара соответствовала температуре входа в печь, так как он смешивается с основным сырьевым потоком, поступающим в печь.

За КУ установлен воздухоподогреватель, служащий для подогрева воздуха, подаваемого в топку для обеспечения процесса горения. Перемещение продуктов сгорания осуществляется за счет дымососа, а воздуха — за счет работы вентилятора.

3. Расчет процесса горения в печи

Определение основных характеристик топлива:

Значения взяты из таблицы 1.

Таблица 1

Низшая теплота сгорания топлива

Компонент	, МДж/м3
	35,84
	63,8
	91,32
	118,73
	146,1
	12,65

Элементарный состав топлива определяем по формулам:

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания единицы количества топлива , кг/кг, вычисляется по формуле:

, где:

б=1,1 — 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	У
масса i-го комп. кг/кг	2,75	1,72	12,91	0,35	17,74
масс. %,	15,5	9,72	72,8	1,99	100
объем i-го комп., м3/кг	1,4	2,15	10,33	0,25	14,12
объем. %,	9,9	15,23	73,16	1,77	100

Рассчитаем энтальпию продуктов сгорания:

, где:

t — температура, К,

• теплоемкость i-го компонента, кДж/(кг_К),

mi — масса i-го компонента, кг/кг

Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3

t, °C	T, K	Сt , п.с., кДж/(кг?К)	Ht , п.с., кДж/кг
0	273	18,875	0,0
100	373	18,993	1899,332
200	473	19,143	3828,677
300	573	19,348	5804,54
400	673	19,550	7820,047
500	773	19,775	9887,503
600	873	20,014	12008,3
700	973	20,263	14184,17
800	1073	20,504	16403,46
1000	1273	20,947	20947,18
1500	1773	22,678	34016,67

Построим график зависимости: (Рис. 2)

Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива.

Полезная тепловая нагрузка печи , Вт:

где

КПД печи:

, где:

• потери в окружающую среду,

при ,

• низшая теплота сгорания топлива.

КПД топки: .

Расход топлива:

Расчет радиантной камеры:

, где: — энтальпия дымовых газов при температуре перевала печи .

Проверим распределение нагрузки в печи: , т.е. условия соблюдены.

Тепловая нагрузка конвекционной камеры:

Энтальпия водяного пара на входе в радиантную камеру:

Принимаем величину потерь давления в конвекционной камере , тогда

При давлении = 1,05МПа значение температуры водяного пара на входе в радиантную секцию =184.

Температура экрана в рассчитываемой печи:

Максимальная температура горения топлива:

где — удельная теплоемкость при температуре перевала.

Для и по графикам определяем теплонапряженность абсолютно черной поверхности qs:

Таблица 4

	200	400	600
qs, Вт/м2	150000	120000	75000

Определяем теплонапряженность при = 482: = 104000 Вт/м2.

Таким образом, полный тепловой поток, внесенный в топку:

Эквивалентная абсолютно черной поверхность равна:

• Принимаем степень экранирования кладки = 0,45; для =1,02 примем .

Эквивалентная плоская поверхность: .

Диаметр радиантных труб , диаметр конвекционных труб .

Для этих значений фактор формы К= 0,87.

Величина заэкранированности кладки: .

Поверхность нагрева радиантных труб:

Таким образом, выбираем печь.

Характеристика печи:

Таблица 5

Шифр
Поверхность камеры радиации, м2	90
Поверхность камеры конвекции, м2	90
Рабочая длина печи, м	9
Ширина камеры радиации, м	1,2
Способ сжигания топлива	Беспламенное горение

Длина .

Число труб в камере радиации:

Теплонапряженность радиантных труб:

Число конвективных труб:

Располагаем трубы в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду, шаг между трубами .

Средняя разность температур:

Коэффициент теплопередачи:

Теплонапряженность поверхности конвективных труб:

4. Гидравлический расчет змеевика печи

Для обеспечения нормальной работы трубчатой печи необходимо обосновано выбрать скорость движения потока сырья через змеевик. При увеличении скорости движения сырья в трубчатой печи повышается коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что способствует снижению температуры стенок, а следовательно, уменьшает возможность отложения кокса в трубах. В результате уменьшается вероятность прогара труб печи и оказывается возможным повысить тепло напряженность поверхности нагрева. Кроме того, при повышении скорости движения потока уменьшается отложение на внутренней поверхности трубы загрязнении из взвешенных механических частиц, содержащихся в сырье.

Применение более высоких скоростей движения потока сырья позволяет также уменьшить диаметр труб или обеспечить более высокую производительность печи, уменьшить число параллельных потоков.

Однако увеличение скорости приводит к росту гидравлического сопротивления потоку сырья, в связи с чем увеличиваются затраты энергии на привод загрузочного насоса, так как потеря напора, а следовательно, и расход энергии возрастают примерно пропорционально квадрату (точнее, степени 1,7-1,8) скорости движения.

Находим потерю давления водяного пара в трубах камеры конвекции.

Средняя скорость водяного пара:

• где — плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции: ;
• dк — внутренней диаметр конвекционных труб, м;
• n — число потоков.

Значение критерия Рейнольдса: , где:

• кинематическая вязкость водяного пара.

Общая длина труб на прямом участке:.

Коэффициент гидравлического трения: .

Потери давления на трение:

Потери давления на местные сопротивления:

где .

Общая потеря давления:

Расчет потери давления водяного пара в камере радиации:

Средняя скорость водяного пара в трубах радиационной камеры составляет:

, где:

• плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции, ;
• dр — внутренней диаметр конвекционных труб, м;
• n — число потоков.

Значение критерия Рейнольдса:

, где — кинематическая вязкость водяного пара.

Общая длина труб на прямом участке:

Коэффициент гидравлического трения:

Потери давления на трение:

Потери давления на местные сопротивления:

где

Общая потеря давления в камере радиации:

Общие потери давления в печи:

Проведенные расчеты показали, что выбранная печь обеспечит процесс перегрева пара в заданном режиме.

5. Расчет котла-утилизатора

Эскиз котла-утилизатора представлен в графическом приложении рис. 5.

Находим среднюю температуру дымовых газов:

Массовый расход дымовых газов:

• 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 3. Для дымовых газов удельные энтальпии определим исходя из данных таблицы 1 и рис. 2 по формуле:

Энтальпии теплоносителей:

Таблица №3

теплоноситель	Температура, о С	Удельная энтальпия, кДж/кг
дымовые газы	320	356,3008
	170	180,4055
питательная вода	60	252,17
	187	794,1
насыщенный водяной пар	187	2783,7

Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами:

где энтальпии дымовых газов на входе и на выходе соответственно.

Тепловой поток, воспринятый водой:

где коэффициент использования теплоты в КУ.

Паропроизводительность котла-утилизатора:

• 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. Изменение температур теплоносителей в таком аппарате схематично можно представить так, как на рис. 6 в графическом приложении.

Тепловой поток, воспринимаемый водой в зоне нагрева:

где энтальпия питательной воды при температуре испарения (187° С).

Тепловой поток, предаваемый дымовыми газами воде в зоне нагрева (полезная теплота):

где энтальпия дымовых газов при температуре .

Отсюда находим:

Энтальпия сгорания 1 кг топлива:

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 схеме должны быть нанесены температуры, с которыми теплоносители поступают в зону нагрева:

Средняя разность температур в зоне нагрева:

Для учета отклонения взаимного движения теплоносителей в КУ от противотока воспользуемся поправочным коэффициентом

Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева

где коэффициент теплопередачи, принятый по опытным данным.

Среднюю разность температур в зоне испарения определяем с использованием следующего рисунка:

С учетом поправочного коэффициента

Площадь поверхности теплообмена в зоне испарения

Суммарная площадь поверхности теплообмена:

В соответствии с ГОСТ 14248-79 выбираем стандартный испаритель с паровым пространством со следующими характеристиками:

Диаметр кожуха, мм	1600
Число трубных пучков	1
Число труб в одном пучке	362
Поверхность теплообмена, м 2	170
Площадь сечения одного хода по трубам, м 2	0,055

6. Расчет воздухоподогревателя

Схема воздухоподогревателя представлена в графическом приложении на рис. 7.

Атмосферный воздух с температурой поступает в аппарат, где нагревается до температуры за счет теплоты дымовых газов.

Расход воздуха определяется исходя из необходимого количества топлива:

• где — расход топлива;
• действительный расход воздуха для сжигания 1 кг топлива.

Дымовые газы, отдавая свою теплоту, охлаждаются от до

Тепловой поток, отданный дымовыми газами:

где энтальпии дымовых газов при температурах и соответственно.

Тепловой поток, воспринятый воздухом:

• где коэффициент использования теплоты в воздухоподогревателе;

средняя удельная теплоемкость воздуха

Конечная температура воздуха определяется из уравнения теплового баланса:

7.Расчет КТАНа

Схема контактного аппарата с активной насадкой представлена в графическом приложении на рис. 8.

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.

Тепловой поток, отданный дымовыми газами:

где энтальпии дымовых газов при температурах и соответственно.

Тепловой поток, воспринятый водой:

• где расход охлаждающей воды;
• средняя удельная теплоемкость воды;
• температуры на входе и выходе из КТАНа соответственно.

Количество охлаждающей воды определяется из уравнения теплового баланса:

где кпд КТАНа.

8.Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

Схема распределения теплоты на теплоутилизациооной установке представлена в графическом приложении на рис. 9.

При определении величины КПД синтезированной системы () используется традиционный подход.

Расчет теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:

9. Эксергетический анализ 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:

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:

• где — количество перегреваемого водяного пара в единицу времени;
• 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:

• где -расход пара в КУ;
• энтальпии насыщенного водяного пара и питательной воды (60° С) соответственно;
• изменение энтропии в процессе нагрева питательной воды и образования.

где средняя удельная теплоемкость воды;

• температуры питательной воды на выходе и входе соответственно;
• скрытая теплота парообразования.

Заключение

Для рассчитанной теплоутилизационной установки

Полный КПД составил:

Эксергетический КПД:

Таким образом потери тепла составляют только 1% ,а эксергетические потери 35%. Следовательно, введение в технологическую схему утилизационной установки (КУ и ВП) значительно повышает эффективность использования теплоты первичного топлива.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/na-temu-utilizatsiya-teplotyi-promyishlennyih-pechnyih-gazov-vyibrosov/

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.

Графическое приложение

Рис. 1. Схема установки утилизации теплоты дымовых газов

1- печь пергрева 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 теплонапряжености от температуры стенки

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