6.Тепловой баланс периодической сульфатной варки

Исходные данные:

Наружная поверхность кожуха котла, м² – 160 = F_{нар.пов.котла}

Средняя толщина стальной стенки, мм – 30 = δ_{стен.котла}

Масса корпуса котла с арматурой, т – 70 = G_котла

Толщина тепловой изоляции, мм – 65 = δ_изоляц

Масса изоляции, т – 6,3 = G_изоляц

Теплоёмкость, кДж/(кг*°С):

- абсолютно-сухой древесины и растворённых органических веществ-1,34 = C_асд; C_{раств.орг}

- растворённых минеральных веществ-1,13 = C_{раств.мин}

- воды в щёлоке - 4,19 = C_воды

- стали котельной - 0,50 = C_стали

- тепловой изоляции - 0,92 = C_{тепл.изол}

Начальные температуры, °С

- щепы и влаги в ней – 10 = t_{нач.щепы}; t_{нач.влаги щп.}

- белого щёлока – 60 = t_б.щ.нач

- чёрного щёлока (при заливке в котёл) – 70 = t_ч.щ.нач

Средняя температура стального кожуха котла, °С

- в начале заварки – 140 = t_{нач.корп.котла}

- в конце заварки – 171 = t_{кон.корп.котла}

Средняя температура изоляционного слоя, °С

- в начале заварки – 80 = t_{изол.нач.завар.}

- в конце заварки – 120 = t_{изол.кон.завар}

По данным материального баланса:

Выход воздушно-сухой целлюлозы из одного котла объемом 140 м³, кг (п. 7.1.4)

G_в.с.ц.=17897кг

Количество загруженных в котел , кг:

- абсолютно-сухой щепы, загруженной в котёл 1913*17,897 = 34236

- влаги в щепе1172,5 *17,897 = 20984

- воды в белом щёлоке 2956,45*17,897 = 52911

- минеральных веществ в белом щёлоке 517,74*17,897 = 9265

- воды в чёрном щёлоке 3523,05*17,897 = 63052

- органических веществ в чёрном щёлоке348,64 *17,897 = 6239

- минеральных веществ в чёрном щёлоке 149,41*17,897 = 2673

Веществ, уходящих из котла с терпентинной сдувкой,кг:

- водяных паров 172,17*17,897 = 3081

- паров органических соединений 20*17,897 = 357

- воды в щёлоке (с перебросами) 76,52*17,897 = 1369

- органических веществ в щёлоке (с перебросами) 6,94*17,897 = 124

- минеральных веществ в щёлоке (с перебросами) 6,78*17,897 = 121

Затраты тепла на одну варку

6.1 Нагрев абсолютно-сухой щепы и растворенных органических веществ (с учетом ухода части из них при терпентинной сдувке) Q₁:

Средняя температура при терпентинной сдувке при проведении её на стадии «Заварка» до выхода на конечную температурe варки:

t_{ср.терп.сд}.=(120°+171°)/2 = 145,5°С

Q₁ = (34236*1,34*(171°- 10°)) + (6239*1,34*(171°- 70^o))-

( (357+124)*1,34*(171°-145°)) = 8247218,04 кДж.

6.2 Нагрев влаги в щепе (Q₂)

Q₂=20984*4,19*(171^o-10^o) = 14155596 кДж

6.3 Нагрев белого и черного щелока и растворенных минеральных веществ (с учётом количеств, уходящих при терпентинной сдувке) Q₃:

Q₃=((52911*4,19)+(9265*1,13))*(171°-60°)+((63052*4,19)+ (2673*1,13))*(171^o- 70^o) –((3081+1369)*4,19 + (121*1,13))*(171^o -145^o) = 52270058 кДж.

6.4 Нагрев корпуса варочного котла (Q₄)

Q₄=77000*0,50*(171^o-140°) = 1193500 кДж.

6.5 Нагрев теплоизоляционного слоя (Q₅)

Q₅ = 7000*0,92*(120^o-80°) = 257600 кДж.

6.6 Потери тепла теплоотдачей (Q₆)

Принимаем коэффициент теплопередачи через теплоизолированную стенку равным К = 12 кДж/(м² *ч* С⁰).

Начальную температура содержимого котла примем 60⁰ С⁰,температуру воздуха в помещении 20°С.

Средняя температура содержимого котла за время заварки:

tс_{р.содерж.котла}=(60°+170°)/2 = 115°С

При продолжительности заварки - 2 ч 25 мин и варки на конечной температуре- 1 ч 10 мин, потери тепла за счёт теплоотдачи составят (Q₆)

Q₆=12*160-((115^o-20^o)*2,42 + (171^o-20^o)_*1,17)=783621 кДж

6.7 Потери тепла с терпентинной сдувкой (Q₇),

Эти потери включают в себя тепло парообразования водяных паров и органических соединений. При средней температуре терпентинной сдувки -145°С, для водяного пара теплота парообразования (r) — r_1,5= 2130 кДж/кг по Приложению П.3.1.

Теплоту парообразования для органических соединений примем по скипидару равной 287 кДж/кг. Тогда:

Q₇ = 2834*2130+ 214*287 = 6097838 кДж.

6.8 Приход тепла от экзотермических реакций (Q₈)

При сульфатной варке, в отличие от сульфитной, за счёт реакции щёлочи с лигнином и другими компонентами древесины выделяется значительное количество тепла, которое по данным Брамера [1, с134] составляет 1,2% от тепла горения древесины. Для сосновой древесины теплота сгорания составляет - 19000 кДж/кг а.с.д. На одну тонну воздушно-сухой целлюлозы получим: 19000*0,012*1760 = 401280 кДж/т в.с.ц., а на одну котло-варку (Q₈)

Q₈= -(401280*17,897) = -7181708 кДж

Основные статьи расхода тепла представлены в табл. 7.

Из табл. 7 видно, что основными статьями расхода тепла являются нагрев влаги в щепе и щёлока. Тепло экзотермических реакций покрывает около 10% от общего расхода тепла, что представляет существенную экономию.

6.9 Рассчитаем расход пара на варку

Для этого примем, что нагрев щёлока в щёлокоподогревателе варочного котла производится насыщенным паром давлением 1,1 МПа (Р_{маном.изб.}) имеющим энтальпию (теплосодержание) – i''_{12бар.абс.} = 2785 кдж/кг по Приложению П_.3.2. (при p_абс=1,2МПа=12 бар), а конденсат из подогреватели удаляется с температурой 180°С

Тогда расход пара на варку составит (по таблице 7.):

G_пар ^{на1к.-варку} =401280/(2785-(180*4,19)) = 2126 кг/на 1 котло-варку

или на 1 тонну воздушно-сухой целлюлозы по варке

G_пар ^{на1т в.с.ц.}= кг пара/ т в.с.ц.

Если прнять потери тепла в паропроводах и с утечками равными 5 %, то удельный расход пара для рассчитанного примера составит:

G_{пар уд.расход} ^{на1т в.с.ц.}= 2126*1,05 = 2232,3 кг/т, или ~ 2,23 т пара/т в.с. целлюлозы.

Практически всё необходимое для варки количество пара расходуется в период подъёма температуры. Во время стоянки небольшие потери тепла компенсируются приходом тепла от химических реакций.

Таблица 7

Статьи расхода тепла на периодическую сульфатную варку

Статья расхода	Количество тепла кДж		Распределение расхода тепла %
	На одну варку (17,897 т в. с. ц.)	На 1 т воздушно сухой целлюлозы
Нагрев - Абсолютно-сухой древесины и растворённых орг. Веществ - влаги в щепе - щёлока и растворённых мин веществ -корпуса котла -теплоизоляционного слоя	8247218	420276	9,95
	14155596	627397	14,86
	54389329	3039019	71,98
	52270058	92323	2,19
	1193500	60234	1,43
Потери тепла - теплоотдачей - с терпентинной сдувкой	773721	43232	1,02
	6097838	340718	8,07
Приход тепла от экзотермических реакций	-7181708	-401279	-9,50
ИТОГО расход тепла	74164976	4221920	100,00