Расчёт установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

Федеральное государственное бюджетное образовательное

 учреждение высшего профессионального  образования

 САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 Кафедра: «Химическая технология  и промышленная экология»

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 по технической термодинамике и теплотехнике на тему

«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…………………………………………………………………….....………………...4

1. Постановка задачи……………………………………………………………………....5
2. Технологическая схема теплоутилизационной установки…………………………...5
3. Технологический расчет печи………………………………………………………….7
4. Гидравлический расчёт змеевика печи………………………………………………15
5. Расчет котла-утилизатора………………………………………………......................18
6. Тепловой баланс воздухоподогревателя………………………………......................22
7. Расчет КТАНа………………………………………………………………………….23
8. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки………………………………………………………………………………………24
9. Эксергетический анализ системы «печь-котел-утилизатор»……………………….25

Заключение…………………………………………………………………………………….26

Список используемых источников…………………………………………………………...27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

утилизация отход печь газ

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 θн = 600С и покидает КУ с θк = 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

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

Рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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;

       α - 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;

       ρi - 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