Теоретические основы энерготехнологии химических производств

Рассмотрим 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.

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:

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 +

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

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

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:

константами), то для инженерных расчетов, которые допускают некото­ рые допущения, эту формулу можно преобразовать в приближенную:

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

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.

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:

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):

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

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„):

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:

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%.