Эксергетическая оценка системы «печь - котел-утилизатор»

СОДЕРЖАНИЕ

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

 

1. Постановка задачи……………………………………………………………...5

2. Описание технологической схемы………………………………………….....6

3. Расчет печи……………………………………………………………………..8

    3.1 Расчет процесса горения……………………………………………….....8

    3.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива………..14

    3.3 Расчет радиантной камеры и камеры конвекции…………………….....15

    3.4 Гидравлический расчет змеевика печи…………………………………..20

    3.5 Расчет потери давления водяного пара в радиационной камере………22

4. Расчет котла-утилизатора…………………………………………………….24

5. Расчет воздухоподогревателя………………………………………………29

6. Расчет КТАНа………………………………………………………………..31

7. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки…………………………………………………………………………33

8. Эксергетическая оценка системы «печь - котел-утилизатор»……………..34

Заключение……………………………………………………………………....36

Список используемых источников……………………………………………..37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

       Мировой опыт  планирования  и  реализации  энергосберегающей  политики имеет более чем четвертьвековую историю. Явившись  ответом на  резкий  рост цен на мировых топливных рынках в 70-х годах, энергосбережение и  сегодня  в условиях относительной доступности цен на энергоносители остается  важнейшим направлением  энергетической   политики   многих   стран   мира,   а   также международных организаций и союзов топливно-энергетической направленности [7].

        Рациональное   использование   и   экономное   расходование   ресурсов

органического   топлива   (уголь,   нефть,   природный    газ),    повышение

эффективности конечного потребления  энергии  во  всех  секторах  экономики, развитие возобновляемых источников энергии  -  все это,  вместе  взятое,  может обеспечить   потребности человечества  в  энергии  и,  следовательно,  его  устойчивое   развитие   в глобальном масштабе [6].

       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 (>400⁰С) сопровождаются потерями энергии, достигающими в среднем 68% [1].

Подобное  состояние дел определяется не только объективными причинами. По традиции химики-технологи  во главу угла ставят вопросы увеличения выхода продукта реакции и конверсии  сырья, но не создания энергетически  эффективных технологических процессов .

Для коренного  улучшения ситуации в химической отрасли, касающейся рационального  использования ТЭР, разработана  энергетическая программа СНГ, согласно которой намечаются следующие основные направления:

1. изменение структуры производства с вытеснением энергоемких видов химической продукции менее энергоемкими;
2. интенсификация, оптимизация параметров и режимов производственных процессов;
3. создание принципиально новых химических технологий;
4. электрификация технологических процессов;
5. создание химических производств с использованием ядерных источников энергии [1] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

    Задачей данной курсовой работы является  технологический расчет и выбор печи перегрева водяного пара, анализ способа использования теплоты уходящих дымовых газов, образующихся при сжигании первичного топлива в технологической печи. Так же рассчет и выбор котла-утилизатора для получения насыщенного водяного пара, составление тепловых балансов воздухоподогревателя и КТАНа. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки вторичных энергоресурсов, состоящей из котла-утилизатора, воздухоподогревателя и КТАНа и эксергетическа оценка системы «печь – котел-утилизатор», позволяющая наиболее объективно и качественно оценить энергетические потери.

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

Водяной пар с ТЭЦ и насыщенный водяной  пар из котла-утилизатора 4 поступают  в печь 1, где происходит повышение  температуры пара до необходимой  по технологии величины за счет теплоты, выделяющейся в процессе окисления (горения) первичного топлива, подающегося  в печь вместе с нагретым воздухом из воздухоподогревателя 5. Полученный в печи перегретый водяной пар  поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь при температуре t_дг1 .

Теплоносителем  в котле-утилизаторе 4 являются дымовые газы, покинувшие печь. В результате протекания процесса теплообмена в котле-утилизаторе температура дымовых газов снижается от t_дг1 до t_дг2. Питательная вода поступает в КУ с блока водоподготовки 2 с помощью насоса 3, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деаэрацию. На выходе из котла-утилизатора образуется водяной пар (нас.), который направляется в основной поток, поступающий с ТЭЦ. За КУ установлен воздухоподогреватель 5, служащий для подогрева воздуха, поступающего через воздуходувку 6 и подаваемого в топку. После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН) 7, где их температура снижается от t_дг3 до температуры t_дг4. Съём теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потоками воды. Один поток вступает в непосредственный контакт с дымовыми газами, а другой через стенку змеевика. Продукты сгорания с помощью дымососа 8 направляются в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

Схема теплоутилизационной установки

   Рис. 1

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

Температура водяного пара:t_вп1-на входе в печь; t_вп2-на выходе из печи.

Температура дымовых газов: t_ух-на выходе из печи; t_дг1-на входе в КУ; t_дг2-на выходе из КУ; t_дг3-на входе в ВП; t_дг4-на выходе из ВП; t_дг5-на входе в КТАН; t_дг6-на выходе из КТАНа. Температура воды: Θ_н-на входе в КУ; Θ_к-на выходе из КУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЁТ ПЕЧИ

3.1 Расчет процесса горения

          Определим низшую теплоту сгорания топлива Q_р^н:

                                                                                         (1)

где Q_pi^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 ∙ 0,45 + 63,80 ∙ 0,13+ 91,32 ∙ 0,237+ 118,73 ∙ 0,128 +    146,10 ∙ 0,055 = 69,30 МДж/м³.

Молярную  масса топлива:

M_m = Σ M_i ∙ y_i,                                                                                          (2)

где M_i – молярная масса i-гo компонента топлива, отсюда:

M_m =16,042 ∙ 0,45 + 30,07 ∙ 0,13 + 44,094 ∙ 0,237 + 58,120 ∙ 0,128 +     72,15 ∙ 0,055 = 32,99 кг/моль.

Плотность топлива при нормальных условиях:

                                                                                                  (3)

кг/м³,

тогда Q_р^н_см, выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

содержание  углерода

                                                                    (4)

          содержание водорода

                                                                   (5)

где n_i^C , n_i^H - число атомов углерода, водорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

- содержание каждого компонента  топлива, масс. %;

x_i - содержание каждого компонента топлива, мол. %;

M_i - молярная масса отдельных компонентов топлива;

М_m - молярная масса топлива.

Проверка состава:

C + H = 80,4 + 19,6 = 100 % (масс.).

    Теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания  1кг топлива:

                                                                          (6)

 кг/кг.

Действительный расход воздуха при α = 1,29:

L=αL₀,                                                                                                      (7)

где L - действительный расход воздуха;

α - коэффициент  избытка воздуха,

L=1,29∙16,01 = 20,65 кг/кг.

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

                                                                                                     (8)

где ρ_в = 1,293 кг/м³ – плотность воздуха при нормальных условиях;

L_o – теоретическое количество воздуха,

м³/кг.

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

                                                                                                 (9)

 кг/кг;

                                                                           (10)

 кг/кг;

                                                                            (11)

 кг/кг;

                                                                                  (12)

 кг/кг,

где m_CO2, m_H2O, m_N2, m_O2 - масса соответствующих газов, кг.

Суммарное количество продуктов горения:

m_{п. с} = m_CO2 + m_H2O + m_N2 + m_O2,                                                               (13)

m_{п. с} = 2,95 + 1,76 + 15,86 + 1,08 = 21,65 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

                                                                                    (14)

где W_ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W_ф = 0),

          кг/кг.

           Количество водяного пара не учитываем и содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, так как топливо – газ.

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

                                                                                        (15)

где m_i — масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;

ρ_i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м³;

М_i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный  объем, м³/кмоль,

м³/кг;        м³/кг;

м³/кг;         м³/кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) для фактического расхода воздуха:

V = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2,                                                                   (16)