3.3. Оценка эффективности принимаемых решений

Анализ эффективности использования тепловой энергии на стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен позволил выявить значительные резервы экономии энергоресурсов, которые можно реализовать в рамках промышленного предприятия.

Анализ стадии дегидрирования изоамиленов с учетом реальных потребностей промышленного объединения в энергоносителях позволил выявить основные источники ВЭР, утилизация которых возможна. К ним, в первую очередь, относятся: отходящие дымовые газы трубчатых печей; теплота парогазовой смеси после котлов-утилизаторов; теплота конденсата контактного газа, циркулирующего в системе скрубберов.

В качестве основных потребителей теплоты ВЭР на производстве рассматриваются:

• паропотребляющие элементы стадии дегидрирования изоамиленов;

• элементы оборудования смежных стадий производства (выделения, разделения и очистки углеводородных продуктов) как потребители технологической и захоложенной воды;

• системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения предприятия.

Проведенный анализ тепловой и термодинамической эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен показал, что наименьшие значения показателей эффективности η_т и η_е соответствуют высокотемпературным установкам — трубчатым печам. Эти установки являются основными потребителями природного топлива технологической системы и одновременно источником вторичной энергии для производства качественного энергоресурса — водяного пара. Таким образом, важной задачей является повышение эффективности использования природного топлива за счет повышения теплового и термодинамического КПД трубчатых печей, связанных с ними в единую систему элементов оборудования, а также производства дополнительных видов или объемов энергоресурсов.

На выходе из трубчатых печей систем дегидрирования изоамиленов в изопрен расчетная температура дымовых газов составляет t_ух = 376 °С. В реальных условиях эксплуатации высокотемпературного оборудования значение t_ух может возрастать до 450—500 °С.

Экономия топлива за счет подогрева воздуха, направляемого к горелкам, по отношению к расходу топлива при работе печей без воздухоподогревателя определяется

(3.3)

где Q_н^р — теплота сгорания используемого природного топлива, кДж/м³; h_в — удельная энтальпия подогретого воздуха, кДж/м³; h_ух — удельная энтальпия уходящих из печи дымовых газов, кДж/м³.

Топливный эквивалент сэкономленной единицы тепловой энергии на подогрев воздуха

(3.4)

Здесь q_ух — тепловые потери с физической и химической теплотой уходящих газов при использовании в качестве ВЭР технологических потоков, содержащих горючие компоненты, %; η — степень рекуперации тепловой энергии, представляющая собой отношение энтальпии нагретого воздуха к энтальпии уходящих дымовых газов:

(3.5)

где v_в, /h_в — удельные объем и энтальпия воздуха; v_ух /h_ух — удельные объем и энтальпия уходящих дымовых газов.

Если принять, что теоретические объемы воздуха и дымовых газов при коэффициенте избытка воздуха а = 1 соответственно равны

v°_в и v°_ух, то действительные значения удельных объемов теплоносителей определяются

(3.6)

На рис. 3.6 показаны графики экономии топлива в зависимости от температур нагретого воздуха и уходящих газов из высокотемпературных установок стадии дегидрирования изоамиленов. Как видно из рисунка, коэффициент использования топлива при установке воздухоподогревателя возрастает на 5—9 %.

На практике действительная экономия топлива за счет организации подогрева воздуха значительно выше, так как этот процесс сопровождается улучшением условий сгорания топлива и повышением производительности печи. Для более точного определения экономии топлива можно использовать соотношение

(3.7)

где (1 - σ) — доля дымовых газов, проходящих через воздухоподогреватель; ᵩ — коэффициент тепловой эффективности воздухоподогревателя; z₁, z₂ — коэффициенты, учитывающие тепловые потери в окружающую среду в высокотемпературных процессах переработки углеводородного сырья. Здесь учитывается изменение условий теплопередачи за счет улучшения организации процесса горения в трубчатых печах.

Рис. 3.6. Экономия топлива при подогреве воздуха в трубчатых печах, где в качестве топлива используется природный газ или мазут

1 — t_ух = 200 °С; 2 — t_ух = 300 °С; 3 — t_ух = 400 °С; 4 — t_ух = 500 °С; коэффициент избытка воздуха α = 1,15

В ряде случаев повышение тепловых потерь с уходящими дымовыми газами связано с увеличением коэффициента избытка воздуха, направляемого на процесс горения в целях снижения температуры в рабочей зоне. Дестабилизация режима работы в трубчатых печах в сторону повышения температуры при термообработке углеводородного сырья приводит к росту интенсивности коксообразования на поверхностях теплообмена, ухудшению качества продукции и условий ведения технологических процессов, поэтому эффективное регулирование температуры топочных процессов высокотемпературных установок представляется важной задачей при организации энерготехнологической системы.

Организация рециркуляции дымовых газов позволяет поддерживать стабильную температуру в рабочей зоне, повысить температуру газовоздушной смеси, улучшить условия ведения топочных процессов, обеспечить снижение температуры топочных газов с наименьшими потерями тепловой энергии. В блоке, объединяющем трубчатую печь и котел-утилизатор, рециркуляция дымовых газов позволит более эффективно производить регулировку температуры пара при изменении тепловых нагрузок в широком диапазоне характеристик.

Экономия топлива при организации обратной рециркуляции дымовых газов достигается за счет снижения коэффициента избытка параметров и соответствующего уменьшения тепловых потерь с дымовыми газами:

(3.8)

где В₀ — расход топлива на технологические процессы в трубчатой печи без рециркуляции дымовых газов, м³; v_в.р — расход холодного воздуха, направляемого на регулирование температуры топочных газов, м³/м³; с'_в.р — теплоемкость воздуха, определенная при температуре уходящих газов.

Теплоэнергетическая система обеспечивает потребителей паром от 0,4 до 1,3 МПа. Поэтому важной задачей производства и потребления энергоносителей за счет ВЭР теплотехнологии является выбор параметров пара, вырабатываемого котлами-утилизаторами. При фиксированном расходе дымовых газов V_д.г и температуре питательной воды на входе в котел (или зону испарения котла) выработка пара определяется

(3.9)

где h_п — энтальпия пара, кДж/кг; h_п.в — энтальпия питательной воды, кДж/кг; t^’_д.г — температура дымовых газов на входе в котел-утилизатор, °С.

На рис. 3.7 изображена графическая зависимость парообразования в КУ от давления вырабатываемого пара в диапазоне 0,4— 1,3 МПа. Разброс значений D_п превышает 30 %.

Изменения показателей теплового и термодинамического анализа блока за счет организации воздухоподогрева и рециркуляции дымовых газов в трубчатых печах стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен при производстве изопрена приведены в табл. 3.1 и 3.2.

Рис. 3.7. Зависимость паропроизводительности котла-утилизатора от давления вырабатываемого пара

Результаты анализа термодинамической эффективности принимаемых решений представлены в табл. 3.3 и 3.4. Тепловая и эксергетическая диаграммы термодинамического анализа синтезируемой утилизационной системы показаны на рис. 3.8.