Расчет установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

                         «Самарский Государственный Технический Университет»

 

                      Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

 

 

 

 

 

 

                                          КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

           по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

 

           

             Тема: Расчет установки утилизации теплоты отходящих из          

 

                                          технологической печи газов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 Выполнил:  студентка 3 – ХТ – 2

                                                                                        Родионова Е.А.

                                                                                    

                                                                 Проверил: консультант Чуркина А.Ю.

 

 

                                                 Самара 2011 г.

                                              Содержание

 

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Постановка задачи………………………………………………………….4
2. Описание технологической схемы………………………………………..4
3. Технологический расчет печи……………………………………………..5
4. Расчет котла-утилизатора………………………………………………...15
5. Расчет воздухоподогревателя……………………………………………18
6. Расчет КТАНа……………………………………………………………..18
7. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки………………………………………………………………….19
8. Эксергетический анализ системы «печь – котел-утилизатор»………...20

Заключение……………………………………………………………………….21

Библиографический список……………………………………………………..22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Введение

 

      На большинстве химических предприятий образуются высоко- и низко-температурные тепловые отходы, которые могут быть использованы в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) [1]. К ним относятся уходящие газы различных котлов и технологических печей, охлаждаемые потоки, охлаждающая вода и отработанный пар.

      Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности за счет ВЭР удовлетворяется боле 26 % потребности в тепле, в содовой промышленности - более 11 %.

      Количество использованных ВЭР зависит от трех факторов: температуры ВЭР, их тепловой мощности и непрерывности выхода.

      В настоящее время наибольшее распространение получила утилизация тепла отходящих производственных газов, которые почти для всех огнетехнических процессов имеют высокий температурный потенциал и в большинстве производств могут использоваться непрерывно. Тепло отходящих газов является основной составляющей энергетического баланса. Его используют преимущественно для технологических, а в некоторых случаях - и для энергетических целей ( в котлах-утилизаторах).

      Однако широкое использование высокотемпературных тепловых ВЭР связано с разработкой методов утилизации, в том числе тепла раскаленных шлаков, продуктов и т. д., новых способов утилизации тепла отходящих газов, а также с совершенствованием конструкций существующего утилизационного оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    1. Постановка задачи

 

     Проанализировать работу печи перегрева водяного пара и для эффективности использования теплоты первичного топлива предложить теплоутилизационную установку вторичных энергоресурсов.

 

 

                       2. Описание технологической схемы

 

      В трубчатых печах, не имеющих камеры конвекции, или в печах радиантно-конвекционного типа, но имеющих сравнительно высокую начальную температуру нагреваемого продукта, температура отходящих газов может быть сравнительно высокой, что приводит к повышенным потерям тепла, уменьшению КПД печи и большему расходу топлива. Поэтому необходимо использовать тепло отходящих газов. Этого можно достигнуть либо применением воздухоподогревателя, нагревающего воздух, поступающий в печь для горения топлива, либо установкой котлов-утилизаторов, позволяющих получить водяной пар, необходимый для технологических нужд.

   Печь перегрева водяного пара предназначена для повышения температуры насыщенного водяного пара до необходимой по технологии величины. Источником теплоты, для повышения температуры насыщенного пара, является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвекционной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь и поступают в котел-утилизатор. На выходе из КУ насыщенный водяной пар поступает обратно на подачу в печь перегрева пара, а дымовые газы, охлаждаясь питательной водой, поступают в воздухоподогреватель. Из воздухоподогревателя дымовые газы поступают в КТАН, где поступающая по змеевику вода нагревается и идет на прямую к потребителю, а дымовые газы - в атмосферу.

 

 

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.

 

 

 

                                 3. Технологический расчет печи

 

 

3.1 Расчет процесса  горения

 

      Определим низшую теплоту сгорания топлива Q_р^н. Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q_р^н равна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания. Также она может быть рассчитана по стандартным тепловым эффектам образования исходных и конечных продуктов исходя из закона Гесса.

 

      Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется, но правилу аддитивности: Q_р^н _см =Σ Q_рi^н ∙ y_i , где

        Q_рi^н - теплота сгорания i-гo компонента топлива;

        y_i - концентрация i-гo компонента топлива в долях от единицы, тогда:

Q_р^н _см = 35,84 • 0,93 + 63,80 • 0,031+ 91,32 • 0,007+ 118,73 • 0,006 + 12,65 • 0,001 = 36,673 МДж/м³.

 

     Молярная масса топлива:

M_m = Σ M_i • y_i, где M_i - молярная масса i-гo компонента топлива, отсюда:

M_m =16,042 • 0,93 + 30,068 • 0,031 + 44,094 • 0,007 + 58,120 • 0,006 +

+ 44,01•0,001+ 28,02 •  0,025 = 17,25 кг/кмоль.

 

     Плотность топлива при нормальных условиях ρ₀^Т = 17,25/22,4 = 0,77 кг/м3,

тогда Q_р^н _см ,выраженная в МДж/кг, равна: Q_р^н _см = 36,673/0,77 = 47,63МДж/кг.

 

Результаты  расчета сводим в табл. 1:

 

Состав топлива                                                                                  Таблица 1

 

Компонент	CH4	C2H6	C3H8	н-C4H10	CO2	N2	ИТОГО:
Молярная масса Mi, кг/кмоль	16,042	30,068	44,094	58,120	44,010	28,020
Молярная доля yi, кмоль/кмоль	0,93	0,031	0,007	0,006	0,001	0,025	1,0000
Mi • yi, кг/кмоль	14,92	0,93	0,31	0,35	0,04	0,7	17,25

 

 

 

     Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

 

содержание углерода: С= 12,01/17,25 ∙ (1∙93+2∙3,1+3∙0,7+4∙0,6+1∙0,1)=72,256

содержание водорода: Н= 1,008/17,25 ∙ (4∙93+6∙3,1+8∙0,7+10∙0,6)=23,498

содержание кислорода: О= 15,999/17,25 ∙ (2∙0,1)=0,186

содержание азота: N= 14,01/17,25 ∙ (2∙2,5)=4,06

 

     Проверка состава:

 

C + H + O + N = 72,256+23,498+0,186+4,06= 100 % (масс.).

 

       Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и содержания кислорода в атмосферном воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L_о, кг/кг, вычисляется по формуле:

L_о = 0,115∙C+0,345∙H+0,043∙(S-O) = =0,115∙72,256+0,345∙23,498-0,043∙0,186= 16,408 кг/кг.

 

      На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,2:   L= α ∙L_o,  где L - действительный расход воздуха;

                       α - коэффициент избытка воздуха,

L=1,2•16,408 = 19,69 кг/кг.

 

     Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

V_в =19,69/1,293 =15,228 м3/кг, где 1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3.

 

     Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

m_CO2= 0,03667∙C = 0,03667∙72,256= 2,6496  кг/кг;

m_H2O = 0,09∙H + 0,01∙W+W_ф = 0,09∙23,498 = 2,1148 кг/кг;

m_N2 = α∙L_o∙ 0,768+ 0,01∙N = 1,2∙16,408∙ 0,768+ 0,01∙4,06 = 15,1622 кг/кг;

m_O2 = L_o∙  (α-1)∙ 0,232 = 16,408∙  (1,2-1)∙ 0,232=0,7613 кг/кг, где m_CO2 , m_H2O , m_N2 , m_O2 - масса соответствующих газов, кг/кг.

 

     Суммарное количество продуктов горения:

m _п.с = m_CO2 + m_H2O + m_N2 + m_O2 = 2,6496 +2,1148 +15,1622 +0,7613 = 20,69 кг/кг.

     Проверяем полученную величину:

m _п.с = 1+ α∙L_o+ W_ф = 1+ 1,2∙16,408 =20,69 кг/кг, где Wф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива Wф = 0).

     Поскольку топливо - газ, содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.

     Процентный состав продуктов сгорания: СО₂ -12,8% , Н₂О – 10,22%, N₂ – 73,28%, О₂-3,7%

 

     Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

V_CO2 = m_CO2 ∙ 22,4/ М _CO2 = 2,6496 ∙ 22,4/ 44,01 = 1,35 м3/кг

V_H2O = m_H2O ∙ 22,4/ M_H2O = 2,1148 ∙ 22,4/ 18 = 2,63 м3/кг

V_N2 = m_N2 ∙ 22,4/ M_N2 = 15,1622∙ 22,4/ 28,02 = 12,12 м3/кг

 

V_O2 = m_O2 ∙ 22,4/ M_O2 = 0,7613 ∙ 22,4/ 32 = 0,53 м3/кг

 

      Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при фактическом расходе воздуха:

V = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2 ,

V = 1,35+2,63+12,12+0,53= 16,63 м3/кг.

 

      Плотность продуктов сгорания (н. у.):   ρ_o = 20,69/16,63 = 1,244 кг/м3.

 

      Найдем теплоемкость и энтальпию продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

 

Средние удельные теплоемкости газов Cр, кДж/(кг•К)                  Таблица 2                                    

 

t, °С	O2	N2	CO2	H2O	Воздух
0	0,9148	1,0392	0,8148	1,8594	1,0036
100	0,9232	1,0404	0,8658	1,8728	1,0061
200	0,9353	1,0434	0,9102	1,8937	1,0115
300	0,9500	1,0488	0,9487	1,9292	1,0191
400	0,9651	1,0567	0,9877	1,9477	1,0283
500	0,9793	1,0660	1,0128	1,9778	1,0387
600	0,9927	1,0760	1,0396	2,0092	1,0496
700	1,0048	1,0869	1,0639	2,0419	1,0605
800	1,0157	1,0974	1,0852	2,0754	1,0710
1000	1,0305	1,1159	1,1225	2,1436	1,0807
1500	1,0990	1,1911	1,1895	2,4422	1,0903