Курсовая работа: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

💣 👉🏻👉🏻👉🏻 ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский Государственный Технический Университет»

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Тема: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

На большинстве химических предприятий образуются высоко- и низко-температурные тепловые отходы, которые могут быть использованы в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). 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 состовляющей 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.
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.
Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнительные затраты на сооружение воздухоподогревателя, воздуходувки, а также дополнительный расход электроэнергии, потребляемый двигателем воздуходувки.
Для обеспечения нормальной эксплуатации воздухоподогревателя важно предотвратить возможность коррозии его поверхности со стороны потока дымовых газов. Такое явление возможно, когда температура поверхности теплообмена ниже температуры точки росы; при этом часть дымовых газов, непосредственно соприкасаясь с поверхностью воздухоподогревателя, значительно охлаждается, содержащийся в них водяной пар частично конденсируется и, поглощая из газов диоксид серы, образует агрессивную слабую кислоту.
Точка росы соответствует температуре, при которой давление насыщенных паров воды оказывается равным парциальному давлению водяных паров, содержащихся в дымовых газах.
Одним из наиболее надежных способов защиты от коррозии является предварительный подогрев воздуха каким-либо способом (например, в водяных или паровых калориферах) до температуры выше точки росы. Такая коррозия может иметь место и на поверхности конвекционных труб, если температура сырья, поступающего в печь, ниже точки росы.
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 воздухопо-догревателя дымовые газы поступают в КТАН, где поступающая по змеевику вода нагревается и идет на прямую к потребителю, а дымовые газы – в атмосферу.
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:
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 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 = 35,75 МДж/м 3
.
где M i

– молярная масса i
-гo компонента топлива, отсюда:
M m
=
16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010∙0,001+ 28,01 ∙ 0,007 = 16,25 кг/моль.
тогда Q
р

н

см

, выраженная в МДж/кг, равна:
Результаты расчета сводим в табл. 1:
Определим элементарный состав топлива, % (масс.):
где n i
C

, n i
H

, n i
N

, n i
O

- число атомов углерода, водорода, азота и кислорода 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;
C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 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 0

, кг/кг, вычисляется по формуле:
На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,25:
где L
- действительный расход воздуха;
Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:
где ρ в

= 1,293 – плотность воздуха при нормальных условиях,
Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:
если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете на 1 кг топлива при полном его сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:
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
,

m
п. с

= 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.
где W ф

- удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W ф

= 0),
Поскольку топливо – газ, содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.
Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:
где m i

— масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;
ρ i

- плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м 3
;
М i

- молярная масса данного газа, кг/кмоль;
Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при фактическом расходе воздуха:
V
=
1,38 + 2,75+ 13,06 + 0,70 = 17,89 м 3
/кг.
Плотность продуктов сгорания (н. у.):
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 с р
, кДж/(кг∙К)
Таблица 2

Энтальпия дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:
где с CO2

, с H2O

, с N2

, с О2

- средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t
, кДж/(кг · К);
с t

- средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t
, кДж/(кг К);
Результаты расчетов сводим в табл. 3.
Энтальпия продуктов сгорания
Таблица 3

По данным табл. 3 строим график зависимости H t

=
f
(
t
)
(рис. 1) см. Приложение
.
2.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в печи (полезная тепловая нагрузка):
где G
- количество перегреваемого водяного пара в единицу времени, кг/с;
H вп1

и Н вп2

- энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;
Принимаем температуру уходящих дымовых газов равной 320 °С (593 К). Потери тепла излучением в окружающую среду составят 10 %, причем 9 % из них теряется в радиантной камере, а 1 % - в конвекционной. КПД топки η т
= 0,95.
Потерями тепла от химического недожога, а также количеством теплоты поступающего топлива и воздуха пренебрегаем.
где Н ух

- энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов, покидающих печь, t ух

; температура уходящих дымовых газов принимается обычно на 100 - 150 °С выше начальной температуры сырья на входе в печь; q пот

- потери тепла излучением в окружающую среду, % или доли от Q пол

;
2.3 Расчет радиантной камеры и камеры конвекции

Задаемся температурой дымовых газов на перевале: t
п

= 750 - 850 °С, принимаем
t
п

= 800 °С (1073 К). Энтальпия продуктов сгорания при температуре на перевале
Тепловой поток, воспринятый водяным паром в радиантных трубах:
где Н
п
- энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов па перевале, кДж/кг;
η т
- коэффициент полезного действия топки; рекомендуется принимать его равным 0,95 - 0,98;
Тепловой поток, воспринятый водяным паром в конвекционных трубах:
Энтальпия водяного пара на входе в радиантную секцию составит:
Принимаем величину потерь давления в конвекционной камере ∆
P
к

= 0,1 МПа, тогда:
Температура входа водяного пара в радиантную секцию t
к

= 294 °С, тогда средняя температура наружной поверхности радиантных труб составит:
где Δt
- разность между температурой наружной поверхности радиантных труб и температурой водяного пара (сырья), нагреваемого в трубах; Δt
= 20 - 60 °С;
Максимальная расчетная температура горения:
где t o

- приведенная температура исходной смеси топлива и воздуха; принимается равной температуре воздуха, подаваемого на горение;
с п.с.

- удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре t
п
;
При t max

=
1772,8 °С и t
п
= 800 °С теплонапряженность абсолютно черной поверхности q s

для различных температур наружной поверхности радиантных труб имеет следующие значения:
q s

, Вт/м 2
1,50 ∙ 10 5
1,30 ∙ 10 5
0,70 ∙ 10 5

Строим вспомогательный график (рис. 2) см. Приложение
, по которому находим теплонапряженность при Θ = 527 °С: q s

= 0,95 ∙ 10 5
Вт/м 2
.
Рассчитываем полный тепловой поток, внесенный в топку:
Предварительное значение площади эквивалентной абсолютно черной поверхности:
Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 и для α = 1,25 находим, что
Величина эквивалентной плоской поверхности:
Принимаем однорядное размещение труб и шаг между ними:
S
= 2 d
н

= 2 ∙ 0,152 = 0,304 м. Для этих значений фактор формы К
= 0,87.
Величина заэкранированной поверхности кладки:
Поверхность нагрева радиантных труб:
поверхность камеры радиации, м 2
180
поверхность камеры конвекции, м 2
180
способ сжигания топлива беспламенное
диаметр труб камеры радиации, мм 152×6
диаметр труб камеры конвекции, мм 114×6
где d
н
- наружный диаметр труб в камере радиации, м;
l
пол
- полезная длина радиантных труб, омываемая потоком дымовых газов, м,
Теплонапряженность поверхности радиантных труб:
Определяем число труб камеры конвекции:
Располагаем их в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду. Шаг между трубами S = 1,7 d
н
= 0,19 м.
Средняя разность температур определяем по формуле:
Коэффициент теплопередачи в камере конвекции:
Теплонапряженность поверхности конвекционных труб определяем по формуле:
2.4 Гидравлический расчет змеевика печи

Гидравлический расчет змеевика печи заключается в определении потерь давления водяного пара в радиантных и конвекционных трубах.
где G
– расход перегреваемого в печи водяного пара, кг/с;
ρ
к
в.п.
– плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере кон-векции, кг/м 3
;
d
к
– внутренний диаметр конвекционных труб, м;
z
к
– число потоков в камере конвекции,
Кинематическая вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции ν
к
= 3,311 ∙ 10 -6
м 2
/с.
Общая длина труб на прямом участке:
Коэффициент гидравлического трения:
Потери давления на преодоление местных сопротивлений:
где Σ ζ к

= 0,35 – коэффициент сопротивления при повороте на 180 ºС,
2.5 Расчет потери давления водяного пара в радиационной камере

где G
– расход перегреваемого в печи водяного пара, кг/с;
ρ
р
в.п.
– плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере кон-векции, кг/м 3
;
d
р
– внктренний диаметр конвекционных труб, м;
z
р
– число потоков в камере клнвекции,
Кинематическая вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции ν
р
= 8,59 ∙ 10 -6
м 2
/с.
Общая длина труб на прямом участке:
Коэффициент гидравлического трения:
Потери давления на преодоление местных сопротивлений:
где Σ ζ р

= 0,35 – коэффициент сопротивления при повороте на 180 ºС,
Проведенные расчеты показали, что выбранная печь обеспечит процесс перегрева водяного пара в заданном режиме.
Найдем среднюю температуру дымовых газов:
где t
1
– температура дымовых газов на входе,
t
2
– температура дымовых газов на выходе, °С;
Для дымовых газов удельных энтальпии определим исходя из данных табл. 3 и рис. 1 по формуле:
Энтальпии теплоносителей
Таблица 4

Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами:
где Н
1
и H
2
- энтальпия дымовых газов при температуре входа и выхода из КУ соответственно, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг;
h
1
и h
2
- удельные энтальпии дымовых газов, кДж/кг,
Тепловой поток, воспринятый водой, Вт:
где η
ку
- коэффициент использования теплоты в КУ; η
ку
= 0,97;
G
n
- паропроизводительность, кг/с;
h
к
вп
- энтальпия насыщенного водяного пара при температуре выхода, кДж/кг;
h
н
в
- энталыгая питательной воды, кДж/кг,
Количество водяного пара, получаемого в КУ, определим по формуле:
Тепловой поток, воспринятый водой в зоне нагрева:
где h
к
в
- удельная энтальпия воды при температуре испарения, кДж/кг;
Тепловой поток, предаваемый дымовыми газами воде в зоне нагрева (полезная теплота):
где h
x
– удельная энтальпия дымовых газов при температуре t
x
, отсюда:
Значение энтальпии сгорания 1 кг топлива:
По рис. 1 температура дымовых, соответствующая значению H
x
= 5700,45 кДж/кг :
Средняя разность температур в зоне нагрева:
270 дымовые газы 210 С учетом индекса противоточности:
Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева:
где К
ф
– коэффициент теплопередачи;
Средняя разность температур в зоне испарения:
320 дымовые газы 270 С учетом индекса противоточности:
Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева:
где К
ф
– коэффициент т6плопередачи;
Суммарная площадь поверхности теплообмена:
В соответствии с ГОСТ 14248-79 выбираем стандартный испаритель с паровым пространством со следующими характеристиками:
4. Тепловой баланс воздухоподогревателя

Атмосферный воздух с температурой t °
в-х

поступает в аппарат, где нагревается до температуры t х
в-х

за счет теплоты дымовых газов.
Расход воздуха, кг/с определяется исходя их необходимого количества топлива:
L
- действительный расход воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг,
Дымовые газы, отдавая свою теплоту, охлаждаются от t дгЗ

= t дг2

до t дг4

.
Тепловой поток, отданный дымовыми газами, Вт:
где H 3

и H 4

- энтальпии дымовых газов при температурах t дг3

и t дг4

соответственно, кДж/кг,
Тепловой поток, воспринятый воздухом, Вт:
где с в-х

- средняя удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг К);
Конечная температура воздуха ( t х
в-х

) определяется из уравнения теплового баланса:
После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН), где их температура снижается от t дг5

= t дг4

до температуры t дг6

= 60 °С.
Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потоками воды. Один поток вступает в непосредственный контакт с дымовыми газами, а другой обмени-вается с ними теплотой через стенку змеевика.
Тепловой поток, отданный дымовыми газами, Вт:
где H 5

и H 6

- энтальпии дымовых газов при температуре t дг5

и t дг6

соответственно, кДж/кг,
Количество охлаждающей воды (суммарное), кг/с, определяется из уравнения теплового баланса:
Тепловой поток, воспринятый охлаждающей водой, Вт:
где G вода

- расход охлаждающей воды, кг/с:
с вода

- удельная теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кг К);
t н
вода

и t к
вода

- температура воды на входе и выходе из КТАНа соответственно,
6. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

При определении величины КПД синтезированной системы ( η
ту
) используется традиционный подход.
Расчет КПД теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:
7. 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:
где Е подв

- эксергия топлива, МДж/кг;
Е отв

- эксергия, воспринятая потоком водяного пара в печи и котле-утилизаторе.
В случае газообразного топлива подведенная эксергия складывается из эксергии топлива ( Е подв1

) и эксергии воздуха ( Е подв2

):
где Н н

и Н о

- энтальпии воздуха при температуре входа в топку печи и температуре окру-жающей среды соответственно, кДж/кг;
ΔS
- изменение энтропии воздуха, кДж/(кг К).
В большинстве случаев величиной эксергии воздуха можно пренебречь, то есть:
Отведенная эксергия для рассматриваемой системы складывается из эксергии, воспринятой водяным паром в печи ( Е отв1

), и эксергии, воспринятой водяным паром в КУ ( Е отв2

).
Для потока водяного пара, нагреваемого в печи:
Н вп1

и Н вп2

- энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;
ΔS вп

— изменение энтропии водяного пара, кДж/(кг К).
Для потока водяного пара, получаемого в КУ:
h к
вп

- энтальпия насыщенного водяного пара на выходе из КУ, кДж/кг;
h н
в

- энтальпия питательной воды на входе в КУ, кДж/кг.
Е отв

= 1965,8 + 296,3 = 2262,1 Дж/кг.
Проведя расчет по предложенной установке (утилизации теплоты отходящих газов технологической печи) можно сделать вывод, что при данном составе топлива, производительности печи по водяному пару, другим показателям - величина КПД синтезированной системы высокая, таким образом - установка эффективна; это показала также и эксергетическая оценка системы «печь – котел-утилизатор», однако по энергетическим затратам установка оставляет желать лучшего и требует доработки.
1. Хараз Д
. И
. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах / Д. И. Хараз, Б. И. Псахис. – М.: Химия, 1984. – 224 с.
2. Скобло А
. И
. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / А. И. Скобло, И. А. Трегубова, Ю. К., Молоканов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1982. – 584 с.
3. Павлов К
. Ф
. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. Пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; Под ред. П. Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

Название: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи
Раздел: Промышленность, производство
Тип: курсовая работа
Добавлен 21:54:14 01 октября 2010 Похожие работы
Просмотров: 4031
Комментариев: 16
Оценило: 4 человек
Средний балл: 4.8
Оценка: неизвестно   Скачать

Срочная помощь учащимся в написании различных работ. Бесплатные корректировки! Круглосуточная поддержка! Узнай стоимость твоей работы на сайте 64362.ru
Привет студентам) если возникают трудности с любой работой (от реферата и контрольных до диплома), можете обратиться на FAST-REFERAT.RU , я там обычно заказываю, все качественно и в срок) в любом случае попробуйте, за спрос денег не берут)
Да, но только в случае крайней необходимости.

Курсовая работа: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи
Реферат по теме Михаил Илларионович Кутузов - великий русский полководец
Реферат по теме Должностные преступления в сфере здравоохранения
Доклад: Структура и основное содержание Корана
Дипломная работа: Методическое наследие Ф.В. Филипповича
Организация Логистики Распределения На Предприятии Курсовая
Отчет по практике по теме Разработка автоматизированной информационной системы работы спа-салона 'Luxury-Spa'
Контрольная работа по теме Страхование ответственности
Эссе Мое Отношение К Поэзии
Реферат: Вирус иммунодефицита человека
Реферат: Бухгалтерский учет бюджетных организаций
Контрольная работа по теме Ганглиоблокаторы. Курареподобные средства
Домашняя Контрольная Работа Номер 2 Мордкович
Реферат: Регулирование аудиторской деятельности в России
Дипломная работа по теме Информационная поддержка принятия решений в управлении Росимущества
Реферат по теме Экономика промышленного предприятия
Отчет по практике по теме Помощник мастера в монтажном цехе
Договор коммерческого найма
Эн Островского Назвали Пьесами Жизни Сочинение
Курсовая работа: Проблемы постановки рук теоретическое обоснование. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая Работа На Тему Безграничность Потребностей И Ограниченность Ресурсов
Дипломная работа: Социально–психологическая готовность к школе детей посещающих и не посещающих детский сад
Дипломная работа: Метод дегазации угольных шахт с помощью сепаратора СЦВ-7
Курсовая работа: Роль и место антимонопольного органа в процессе экономического развития субъекта Российской Федерации