Теоретические основы энерготехнологии химических производств
..pdfРассмотрим порядок составления материального баланса на примере. Допустим, в топке при а=1,3 полностью сжигается 1000 нм3/ч топли
ва с составом:
94,0 %об.СН4, 1,5 %об.С2Н6, 0,5%об.С3Н8, 3,0 %об.Н2, 1 ,0 %O6.N2.
Таким образом, в топке сжигается:
940 нм3/ч СН4, 15 нм3/ч С2Н6, 5 нм3/ч СзН8, 30 нм3/ч Н2, 10 нм3/ч N2.
Следущую часть расчета материального баланса лучше производить табличным способом.
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
Пример расчета материального баланса табличным способом |
||||
Веще |
Расход |
Для горения не |
При горении об |
При горении об |
ство |
топлива, |
обходимо 0 2, |
разуется С02, |
разуется Н20, |
|
нм3/ч |
нм3/ч |
нм3/ч |
нм3/ч |
СИ, |
940 |
2x 940=1880 |
1 х 940 = 940 |
2 x 940=1880 |
а д |
15 |
3,5x15=52,5 |
2 х 15 = 30 |
3x15 = 45 |
с ?н , |
5 |
5 x 5 = 25 |
3 x 5 = 15 |
4 х 5 = 20 |
Н? |
30 |
0 ,5 x 3 0 = 15 |
— |
1 х 30 = 30 |
|
|
|
|
|
N? |
10 |
— |
— |
— |
|
|
|||
I |
1000 |
1972,5 |
985 |
1975 |
Таким образом, для стехиометрического сжигания |
1000 нм3/ч топли |
ва необходимо воздуха (принимается, что в воздухе содержится 21 %об.0 2 и 79 %O6 .N2 с инертами или 0,21 и 0,79 соответственно):
1972,5 нм3/ч 0 2 или 1972,5/0,21 = 9392,86 нм3/ч. При а=1,3 объем воздуха составит:
9392,86 х 1,3 = 12210,7 нм3/ч (2564,25 нм3/ч 0 2 и 964Й.45 нм3/ч N2). Тогда расчетный объем дымовых газов:
С 02: 985 нм3/ч, Н20: 1975 нм3/ч,
N2: 10 нм3/ч (из топлива)+9646,45 нм3/ч (из воздуха) = 9656,45 нм3/ч, 0 2: 2564,25 нм3/ч (с воздухом)-1972,5 нм3/ч (на горение) = 591,75 нм3/ч, I: 13208,2 нм3/ч
ирасчетный состав дымовых газов:
С02 985 / 13208,2 = 7,46 %об. Н20 1975 / 13208,2 = 14,95 %об. N2 9656,45 / 13208,2 = 73,11 %об. 0 2 591,75 / 13208,2 = 4,48 %об.
Таким образом, соотношение необходимого количества воздуха к расходу топлива (при а=1,3) будет равно 12,2 нм3/нм3, а количество ды мовых газов - 13,2 нм3/нм3. Естественно, эти значения при других коэф фициентах избытка воздуха (а) и других составах топлива будут другие.
По результатам расчетов можно сделать вывод, что количество пода ваемых на сжигание газов в основном определяется количеством воздуха. Известно, что основу воздуха составляет азот, не участвующий в процес се горения, который проходит через топку транзитом и приводит к поте рям тепла, т.к. температура дымовых газов всегда выше температуры входящего воздуха. Кроме того, образовавшийся дымовой газ содержит около 15 %об. водяных паров, что при отсутствии серосодержащих со единений соответствует температуре точки росы 55-65°С, поэтому при охлаждении дымовых газов возможно выделение жидкой фазы, что может вызвать некоторые технологические затруднения.
2.3. Теплота сгорания топлива
Теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг массы твердого или жидкого топлива или 1 нм3 газового топлива при нормальных физических условиях (удельная тепло та сгорания топлива). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топ лива. Разберем эти понятия более подробно.
Выше было показано, что дымовые газы содержат водяные пары, об разовавшиеся. в результате горения углеводородов. Температура точки росы дымовых газов (температура начала конденсации воды) составляет 55-65°С. Если дымовые газы охладить ниже температуры точки росы, то часть водяных паров будет конденсироваться. При конденсации водяных паров будет выделяться значительное количество тепла (до 2,5 МДж/кг конденсата), равное теплоте испарения воды при заданндй температуре.
Так как большинство энергетических установок выбрасывают дымо вые газы с температурой более 100°С, то нет необходимости учитывать теплоту конденсации. Поэтому теплота, выделяющаяся при горении топ лива при условии, что содержащиеся в дымовых газах водяные пары не конденсируются (теплота химической реакции),называется низшей теп лотой сгорания топлива, QHP .
Для твердых и жидких топлив низшая теплота сжигания £?£(МДж/кг) может быть рассчитана по эмпирическому уравнению, называемому урав нением Менделеева:
&н =0.339С', + 1,030Я'’-0,109(о', -5^,г+/г)-0,025»гГ |
(2.16) |
Для газовых топлив низшая теплота сжигания 0^(мДж/нм3) может быть рассчитана по сумме тепловых эффектов реакций горения и составу газового топлива (%об.):
Q„ = 0,3582С#4 + 0,6375С2Я6 +0,9125С,Я, + 0,5906С2Я4 +
+ 1,190С4# |0 + 0,1264СО +0,108Я2 + 0,234H2S. |
(~ 1 7) |
Высшая теплота сгорания топлива £?£(мДж/кг или МДж/нм3) учитывает не только теплоту горения, но и теплоту полной конденсации во дяных паров,содержащихся в дымовых газах, т.е. это сумма низшей теп лоты сгорания и теплоты конденсации водяных паров
QB = QH +0,025(9Я/,+И"). |
(2.18) |
Расчеты показывают, что за счет конденсации водяных паров из ды мовых газов, в зависимости от состава топлива, его энергетической цен ности и глубины конденсации можно получить до 10-15% теплоты до полнительно. Интересно, что для теплотехнических расчетов использует ся как высшая, так и низшая теплота сгорания. Однако в России принято использовать только низшую теплоту сгорания топлива, т.е. в отечест венных энерготехнологических агрегатах конденсация воды в принципе не допускается, а в США и Англии в расчетах используется высшая теп лота сгорания. Можно предположить, что зарубежные энергетики допус кают возможность использования теплоты конденсации. Иным образом, коэффициент использования тепла сжигания топлива (КПД) в России бу дет равен 100% при температуре начала конденсации воды из дымовых газов (точки росы), а при использовании теплоты конденсации - выше
100%. Следует добавить, что при использовании высшей теплоты сгора ния расчеты тепловых балансов для теплотехнических агрегатов будут полностью соответствовать стандартным расчетам тепловых балансов в химической технологии.
Так как топливо может быть в различных агрегатных состояниях и иметь различный состав, то для сравнения энергетической ценности раз личных видов топлива, при его добыче, и для экономических расчетов используется понятие - условное топливо. Количество топлива в пересче те на условное принято измерять в тоннах условного топлива (т.у.т). Те плота сгорания одного килограмма условного топлива (0 усл) принята 29,35 МДж/кг или 7000 ккал/кг. Пересчет расхода любого топлива (В) на расход условного топлива (ЯУСл) можно осуществить по формуле
Вусл=В 7 Г ~ ‘ |
(2.19) |
У усл
*
Кроме понятия условного топлива существуют приведенные (удель ные) характеристики, которые используются для сравнения различных теплоэнергетических агрегатов, капример, по количеству (массе) выбра сываемой серы или золы (г/МДж). При умножении приведенной характе ристики на вырабатываемую мощность теплоагрегата (МВт) можно легко получить выброс того или иного компонента (г/с).
2.4. Энтальпия, теплота и температура газового потока
Известно, что одной из основных задач инженера-технолога является проведение технологических расчетов. Необходимость расчетов возника ет при оптимизации и управлении процессами горения и теплопередачи или при модернизации энерготехнологических агрегатов. Если учесть, что процессы горения и последующей теплопередачи, как правило, про текают в изобарных условиях, то параметром состояния, который может характеризовать теплоту дымовых газов, является их энтальпия, или теп лосодержание. Из курса физической химии известно, что для расчета эн тальпии идеального газа при некоторой температуре Т мгожно воспользо ваться следующей формулой:
|
|
|
Н = HTt + jc rdT, |
( 2 .20 ) |
|
|
|
To |
|
где |
T0 - |
стандартная температура (обычно 298 К, но может быть любая); |
||
|
Н То |
- энтальпия газа при стандартной температуре (константа); |
|
|
|
Ср - |
изобарная теплоемкость идеального газа или идеальной газовой |
||
|
|
смеси, которая в свою очередь может быть определена по пра |
||
|
|
вилу аддитивности: |
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
Ср =У^ Х£р, 9 |
(2 .2 1 ) |
где |
*, и С Р - |
мольная доля и изобарная теплоемкость /-го компонента. |
||
|
При этом |
физическая теплота потока вещества будет рассчитываться |
||
по формуле |
|
|
||
|
|
|
Спот = H G U O T |
(2.22) |
|
Так как То, и соответственно Н То в принципе могут быть любыми (но |
константами), то для инженерных расчетов, которые допускают некото рые допущения, эту формулу можно преобразовать в приближенную:
Н * С Р Т |
(2.23) |
тогда |
|
Спот ~ <^пот Ср Т |
(2.24) |
Данное уравнение достаточно широко используется в инженерной
практике при расчетах тепловых балансов, процессов передачи тепла и т.п.
Более сложной задачей является нахождение температуры потока по его известному теплосодержанию. Это объясняется тем, что изобарная теплоемкость (Ср) является нелинейной функцией от температуры, по
этому уравнение |
|
|
|
Т » Qnor |
или |
Т * Qn0T 1 |
(2.25) |
СпотСР |
|
Спот m |
|
является трансцендентным. Из курса высшей математики известно, что трансцендентные уравнения могут быть решены различными матема тическими методами, например, методом итераций, однако применение
торые затруднения.
В инженерной практике для решения этой задачи (как и для реше ния подобных задач, например при расчете теплообменников) можно использовать Я-Г-диаграмму, которая используется в теплоэнергетике для расчета адиабатной температуры сжигания (температура дымовых газов при сжигании топлива без учета теплопотерь) и теоретической температуры сжигания топлива сжигания (температура дымовых газов при сжигании топлива при а=1 и без учета теплопотерь) по величине его теплотворной способности без учета физической теплоты, вноси мой в топку с потоками воздуха и топлива.
|
Пример |
использо |
||||
|
вания |
этой |
диаграммы |
|||
|
для |
технологических |
||||
|
расчетов |
представлен |
||||
|
на рис.2.1. |
|
|
|
||
|
Порядок |
расчетов |
||||
|
температуры |
потока по |
||||
|
его теплосодержанию: |
|||||
|
1. При |
известном |
со |
|||
|
ставе |
потока |
(х) в |
|||
|
координатах |
СРТ -Т |
||||
|
строится |
|
график |
|||
|
(рис.2.1). |
|
|
|
||
Рис. 2.1. Иллюстрацияметода нахождения температу |
2. При |
известной |
теп |
|||
ры потока по его теплосодержанию |
лоте |
потока |
|
(Q \), |
||
|
расходе потока |
(GO |
||||
находится соотношение Q \!G u которое приблизительно равно |
С и * |
|||||
(т.к. Q & G C PT ). |
|
|
|
|
|
|
3. "Войдя" с этим соотношением в график, можно легко найти соответ ствующую температуру потока (ГО.
Используя этот порядок расчетов^можно достаточно просто и быстро проводить другие технологические расчеты без использования сложных математических методов.
2.5.Т еп л о во й б а л а н с эн е р го т ех н о л о ги ч еск о го а гр ега т а
Вхимической промышленности широко используются следующие энерготехнологические агрегаты: паровые котлы, водогрейные котлы, печи
иразнообразные утилизаторы тепла. Основным отличием котлов от печей является то, что в паровых и водогрейных котлах теплота передается про межуточным теплоносителям, а в печах - непосредственно обрабатывае мому материалу. В зависимости от конструкции и предназначения, утили заторы тепла могут вырабатывать как горячую воду или пар (функция кот лов), так и подогревать технологические потоки (функция, печей).
Конструкция печей существенно отличается от конструкции котлов, од нако, независимо от типа установки, печи и котлы имеют одинаковый модуль, предназначенный для сжигания топлива (реакции глубокого окисления моле кул топлива кислородом воздуха), топку или химический реактор.
Взависимости от технологического режима, энерготехнологические установки предназначены для выработки определенного количества горя чей воды или пара или нагрева заданного количества материала до опреде ленной температуры в течение заданного количества времени, т.е. в выра ботке требуемого количества теплоты. В зависимости от типа оборудова ния, параметров вырабатываемой тепловой энергии и текущего состояния
ипараметров эксплуатации оборудования, на единицу вырабатываемой те плоты расходуется различное количество топлива (расходная норма). Бо лее того, даже для однотипного оборудования, работающего на одинако вом топливе1и вырабатывающего тепловую энергию одинаковых парамет ров, расходная норма будет различная, т.к. текущее состояние оборудова ния в каждом конкретном случае будет различным. Именно поэтому для каждого энерготехнологического агрегата составляется тепловой баланс, регламентирующий нормы полезно использующейся энергии и нормы ее потери. Иными словами, тепловые балансы численно определяют степень преобразования топлива в полезную энергию и, соответственно, совершен ство энерготехнологического агрегата, и при любой конструктивной мо дернизации агрегата или при смене технологического режима они будут изменяться. Так как составление тепловых балансов относится к одним из основных задач заводского технолога, то рассмотрим порядок составления тепловых балансов для энерготехнологических агрегатов более подробно.
Из ранее пройденных технологических курсов известно, что в общем случае тепловой баланс любой технологической установки составляется пу тем уравнивания сумм потоков входящей и выходящей теплоты. Схема теп ловых потоков энерготехнологической установки представлена на рис.2.2.
Рис. 2.2. Тепловые потоки энерготехнологическойустановки *
1 - смеситель топки; 2 - топка (химическийреактор); 3 - котел (те плообменник); £>гопл - физическая теплота потока топлива; £?возд - физическая теплота потока воздуха; Q*/ - низшая теплота горения топлива; Qnon ~ полезно используемая теплота; бдым - физическая теплота дымовых газов; Qcr - потери теплоты через стенки уста новки; Q\им - потери теплоты с химическим недожогом; Смех - по тери теплоты смеханическим недожогом
Таким образом, уравнение теплового баланса запишется:
б,Я+ бтопл + бвозд = бпол + бдым + бет + бхим + бмех • |
(2.26) |
Условно разделим члены этого уравнения на группы и проведем их анализ.
К первой группе отнесем члены уравнения, величина которых опре деляется физической теплотой или энтальпиями потоков, а следовательно, их температурой. К этой группе относятся бтошь бвозд и 0дым-
Для их расчета можно использовать уравнение расчета физической теплоты потока (для изобарных условий):
Q = H G & G C PT , |
(2.27) |
Из уравнения теплового баланса видно, что положительными членами являются Стопл и Свозд, а отрицательным £?дым- Таким образом, для улучшения показателей работы агрегата необходимо, чтобы потоки топли ва и воздуха подавались в топку с максимально возможной температурой, а
дымовые газы выбрасывались с минимально возможной температурой.
Ко вт о р о й группе отнесем члены уравнения, определяющие потери тепла из-за несовершенства конструкции агрегата. К ним относятся "от рицательные" члены уравнения теплового баланса: 0ст* Q xим и 0 мех-
Для определения путей снижения потерь тепла через стенку аппарата (£?ст) проведем анализ основного уравнения теплопередачи
Q cт ~ K TPF A tc? ) |
(2.28) |
где К -гр - коэффициент теплопередачи от дымовых газов в окружающую среду, определяемый коэффициентами теплоотдачи от дымовых газов к стенке котла (аДЫм-ст) и от стенки котла в окружающую среду (аст-о.с.), теплопроводностью (Лет) и толщиной стенки (8„):
^ТР |
(2.29) |
а п |
а _ |
F - площадь теплопередачи или наружная поверхность энерготехно логического агрегата;
A tCp - движущая сила теплопередачи, которая при условном постоян стве температуры дымовых газов и окружающей среды может быть рассчитана достаточно просто:
Atcp -^Дым-Л |
(2.30) |
Таким образом, для снижения потерь тепла через стенку аппарата (£?ст) необходимо:
-снизить коэффициент теплопередачи путем увеличения толщины теплоизоляции и за счет использования изоляционного материала с ми нимальной теплопроводностью: максимально защитить внутренние стен ки котла от контакта с дымовыми газами (снижение конвективной со ставляющей) и от инфракрасного излучения зоны горения (уменьшение излучающей составляющей);
-уменьшить площадь теплопередачи путем максимального сниже ния размеров высокотемпературной зоны и модернизации наружной об муровки агрегата на максимально более гладкую;
-снизить движущую силу теплопередачи за счет снижения темпера туры в пристенном пространстве топки.
Потери тепла с недожогами - химическим, Q xим (содержание сажи, СО, Н2 и СН4 в дымовых газах) и механическим, Q MEX (содержание горю чих элементов в золе или шлаке), характеризующими степень совершенст ва горелок, как правило, определяются большим числом параметров (от состава топлива и типа горелок до коэффициента избытка воздуха) и но сят нелинейный характер. Поэтому эти потери тепла определяются пус коналадочными организациями и изображаются в виде графиков для оп ределенного состава топлива в соответствии с режимной картой агрегата.
К т р ет ьей группе отнесем оставшиеся члены уравнения теплового баланса; £?,н и 0пол-
Низшая теплота сжигания топлива (£,н) определяется составом топ лива и является "положительным" членом. Полезно используемая теплота (£?пол) определяется как конструкцией энерготехнологического агрегата, параметрами теплоносителя, так и технологическими параметрами рабо ты агрегата. Анализ зависимости (£?пол) от текущих технологических па раметров можно провести, также используя основное уравнение теплопе редачи (как при анализе бет)- Однако выводы в данном случае будут про тивоположные, т.е необходимо:
-увеличить коэффициент теплопередачи путем уменьшения толщи ны стенок труб и за счет использования материала труб с максимальной теплопроводностью и прочностью; максимально турбулизовать поток дымовых газов и улучшить омывание ими теплопередающих поверхно стей (увеличение конвективной составляющей) и активизировать тепло отдачу за счет инфракрасного излучения зоны горения (увеличение излу чающей составляющей);
-увеличить удельную площадь теплопередачи (оребренные трубы, трубы меньшего диаметра и т.д.);
-увеличить движущую силу теплопередачи за счет увеличения тем пературы дымовых газов и снижения температуры теплоносителя.
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих полноту использования располагаемой теплоты, является КПД-брутто энерготех нологического агрегата, т.е. КПД без учета затрат энергии на собствен ные нужды), который равен отношению полезно используемой теплоты и располагаемой теплоты (сумме низшей теплоты сжигания топлива и фи зической теплоты топлива). Для типичного агрегата, работающего на га зовом топливе, величина КПД-брутто имеет значение 85-94%.