Технологический расчёт

4. Технологический расчёт

 

4.1 Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару

 

Таблица 2

Состав газа, %об					Давление (изб), МПа	Барометрическое давление, кПа	Температура газа, 0С	Расход газа при н.у., м3/ч
СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	N2
98,3	0,30	0,10	0,20	1,10	0,120	100,0	10	2300

Свойства топливного газа

Таблица 3

Компонент	Мольная доля (yi)	Молярная масса (Мi), кг/кмоль
метан	0,983	16
этан	0,003	30
пропан	0,001	44
бутан	0,002	58
азот	0,011	28

1) Расчёт абсолютного и парциальных давлений компонентов топливного газа:

Рабс = Рбар + Ризб = 0,12*10⁶ + 100*10³=0,22*10⁶ Па = 2,2426ата = 2,2426кгс/см²;

Парциальные давления:

Р(метан) = Рабс*у(метан) = 0,983* Рабс = 216,26кПа = 2,2045ат;

Р(этан) = Рабс*у(этан) = 0,003* Рабс = 0,66кПа = 0,0067278ат;

Р(пропан) = Рабс*у(пропан) = 0,001* Рабс = 0,22кПа = 0,0022426ат;

Р(бутан) = Рабс*у(бутан) = 0,002* Рабс=0,44кПа = 0,00448522ат;

Р(азот) = Рабс*у(азот) = 0,011* Рабс = 2,42кПа=0,0246687ат.

2) Абсолютная температура газа:

Т = Т⁰+t = 273+10 = 283К

3) Определение плотности и удельного объёма газа при н.у.

; ;;

где y_i – мольная доля компонента в смеси;

M_i– молярная масса i–го компонента;

M_cm– молярная масса смеси;

^_cm – плотность смеси при н.у.;

V⁰_cm– удельный объем смеси при н.у..

М_см = 0,983*16+0,003*30+0,001*44+0,002*58+0,011*28 = 16,286 кг/кмоль;

^_cm = 16,286/22,4 = 0,727 кг/м³;

v⁰_cm =1/^_cm =1,375м³/кг.

4) Определение массовах концентраций компонентов:

ŷ(метан) = у(метан)*М(метан)/М_см=0,983*16/16,286=0,966;

ŷ(этан) = у(этан)*М(этан)/Мсм = 0,003*30/16,286=0,0055;

ŷ(пропан) = у(пропан)*М(пропан)/Мсм = 0,001*44/16,286=0,0027;

ŷ(бутан) = у(бутан)*М(бутан)/Мсм = 0,002*58/16,286=0,0071;

ŷ(азот) = у(азот)*М(азот)/Мсм=0,011*28/16,286=0,0187.

5) Определение расхода газа при рабочих условиях:

G_P,T= G₀*P⁰*T/P*T⁰ = 2300*10⁵*283/0,22*10⁶*273 = 1083,75 м³/ч

Определение свойств водяного пара

Известно, что

производительность печи по водяному пару G=4,03кг/с

давление пера на входе Р₁=0.5 МПа ≈ 5 бар = 5,1ат

температура пара на входе в печь t₁=151ºС

температура пара на выходе из печи t₂=550ºС

Рассчитаем температуру кипения:

t_s=100* ⁴√p=150,2ºC

По таблице Вукаловича определяем свойства кипящей воды и сухого насыщенного пара:

Таблица 4

t,ºC	Р=5 бар
550	ts=151,85 V`=0.0010928 V”=0.37481 h`=640,1 h”=2748,5 S`=1,8604 S”=6.8215
	V	h	S
	0.7575	3594.7	8.2222

Изменение энтальпии: Δh=h-h”=3594.7-2748.5=846.2кДж/кг

ΔН=GΔh=4,03*846,2= 3410,186кДж/с – изменение энтальпии, приходящееся на 4,03кг.

Изменение энтропии: Δs=s-s”=8.2222-6.8215 =1,4007кДж/кг*град

ΔS=Δs*G=4,03*1,4007=5,645кДж/град*с

Изменение внутренней энергии:ΔU=Cv(T₂-T₁)

Cv=Cp-R

T_ср=(Т₁+Т₂)/2=(151+550)/2=350,5⁰С=623,5К

Ср=1,67+0,63*10^-3*Т=2,063кДж/кг*К

Cv=2,063 -8,314*10^-3/18=0,114кДж/кг*К

Δu=0,114*(550-151)=45,486 кДж/кг

ΔU=GΔu=4,03*45,486=183,31кДж

Расчётным методом определим энтальпию перегретого пара и сравним её значение с табличным.

h=2547,668-55,64*⁴√р+t_пп(1,8334-0,0311*⁴√р)+0,000311*t²_пп

h=2547,668+55,64*1,503 +550* (1,8334-0,0311*1,503)+0,000311*550² = 3557.366 кДж/кг

Ошибка: 100*(3594.7-3557.366)/3594.7 =1%

Ошибка по температуре кипения: 100*(151.85-150.2)/151.85 =0.44%

4.2. Расчет процесса горения в печи Определение основных характеристик топлива

Таблица 5.

Компонент топлива	Низшая теплота сгорания Qрн, МДж/кг
Метан	35,84
Этан	63,8
Пропан	86,06
Бутан	118,73

Низшая теплота сгорания топлива Q_р^н = SQ_р^н_i*y_i

Q_р^н = 35.84*0.983+63.8*0.003+86.06*0.001+118.73*0.002=35.746 МДж/м³

`Q_р^н = 35,746/r = 35,746/0,727 = 49,169 МДж/кг

Определение элементного состава топлива

Содержание углерода C = 12.01* Sn_i*y_i/Mт;

содержание водорода Н = 1,008*Sn_i*y_i/Mт;

содержание азота N = 14,01*Sn_i*y_i/Mт;

где n_i – число атомов i- го элемента,

 y_i – мольная доля i- го компонента топлива,

 Мт – молярная масса топлива.

C = 12.01*(1*98.3+2*0.3+3*0.1+4*0.2)/16.286 = 73.744%

H = 1.008*(4*98.3+6*0.3+8*0.1+10*0.2)/16.286 = 24.621%

N = 14.01*(1.1*2)/16.286 = 1.635%

C+H+N = 73.744+24.621+1.635 = 100%

Расчет процесса горения

Топливо

CO₂

Топка

H₂O

Воздух N₂

O₂

Рис.2. Схема топки

1)         Теоретический расход воздуха

L₀ = 0.115*C+0.345*H+0.043*(S-O),

где C,H,O,S – содержание элементов, %.

₀ = 0,115*73,744+0,345*24,621=16,975 кг/кг.

2)         Действительный расход воздуха

L_д = a*L₀, где a - коэффициент избытка воздуха.

L_д = 1,05*16,975 = 17,824 кг/кг.

3)         Количество продуктов сгорания

m(CO₂) = 0.0367*C = 0.0367*73.744=2.706;

m(H₂O) = 0.09*H = 0.09*24.621 = 2.216;

m(N₂) = 0.768*a*L₀+0.01*N = 0.768*1.05*16.975+0.01*1.635 = 13.705;

m(O₂) = 0.232*(a-1)*L₀ = 0.196.

Таким образом, m_nc=åm_i = 2.706+2.216+13.705+0.196 = 18.823;

или m_nc= 1+L_д = 1+17.824 = 18.724.

Рассчитаем объем продуктов сгорания V_nc, а также содержание каждого компонента в массовых (`y_i) и объемных (y_i’) долях по формулам:

V_nc=åV_i; V_i = m_i*22.4/M_i;

`y_i = m_i*100/m_nc; y_i’ = V_i*100/V_nc.

Результаты расчетов приведены в таблице 6.

Таблица 6.

Наименование	CO2	H2O	N2	O2	сумма
масса i-го компонента	2,706	2,216	13,705	0,196	18,823
мас.%, yi	14,376	11,773	72,81	1,041	100
объем i-го компонента	1,378	2,758	10,964	0,137	15,236
об.%, yi'	9,041	18,099	71,959	0,9	100

4)         Расчет энтальпии продуктов сгорания осуществляется по формуле:

`H<sub>nc</sub> = t*å`Cp_i*m_i,

где t- температура, ⁰С,

Ср_i – теплоемкость i-го компонента, кДж/кг*К,

m_i - масса i-го компонента, кг.

Результаты расчетов приведены в таблице 7.

Таблица 7.

t, 0C	151	210	450	650	750	850	916,39
`Cpm,кДж/кг*К	20,229	21,097	22,280	22,599	22,695	22,768	22,807
`Нпс	3054,646	4430,29	10026,13	14689,33	17020,93	19352,53	20900,48

4.3. Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива

1)         Полезная тепловая нагрузка

Q_пол = G_вп*(h₂-h₁)*10³ = G_вп*(h-h’’)*10³, т.к. h₂=h=f(t₂), h₁=h’’= f(t₁).

Q_пол = 4,03*(3557,366-2767,48)*10³ = 3183241 Дж/с = 3183241 Вт.

2) КПД печи:

h_п = 1-q_пот –`H<sub>ух</sub> /`Q_р^н,

где q_пот = 0,1– потери в окружающую среду,

H_ух = f(t_ух) = 10026,13кДж/кг при t_ух=450⁰С,

Q_р^н = 49169 кДж/кг – низшая теплота сгорания.

h_п = 1- 0,1-10026,13/49169 = 0,7.

КПД топки h_т = 0,95.

3)         Расход топлива:

B = Q_пол/`Q_р^н *10³ *h_п = 3183241/49169*10³*0,7 = 0,0925 кг/с.

4)         Расчет радиантной камеры:

Qрад = B*(`Q<sub>р</sub><sup>н</sup> *h<sub>п</sub> - `H_п)*10³,

где `H_п = f(t_п) – энтальпия газов при температуре перевала печи,

при t_п = 916,39⁰С `H_п = 20900,49 кДж/кг.

Qрад = 0,0925*(49169*0,7-20900,49)*10³ = 2387431 Вт.

Проверим распределение нагрузки в печи: Q_рад*100/Q_пол = 75%, т.е. условия соблюдены.

5)         Тепловая нагрузка конвекционной камеры:

Q_конв= Q_пол-Q_рад = 3183241-2387431 = 795810 Вт.

6)         Энтальпия водяного пара на входе в радиантную камеру:

h_k = h₂-Q_рад/G_вп*10³ = 3557,366-2387431/4,03*10³ = 2964,951 кДж/кг.

При давлении Р₁ = 5,1ат значение температуры водяного пара на входе в радиантную секцию t_k = 260.42⁰C.

7)         Температура экрана в рассчитываемой печи:

q = (t₂+t_k)/2 +20 = (550+260.42)/2 + 20 = 425.21⁰C.

8)         Максимальная температура горения топлива:

t_max = 20 + `Q<sub>р</sub><sup>н</sup>*h<sub>т</sub>/`C_pm,

где `C_pm = f(t_п) – удельная теплоемкость при температуре перевала.

t_max = 20 + 49169*0,95/22,807 = 2068,08⁰С.

9)         Для t_п и t_max по графикам определяем теплонапряженность абсолютно черной поверхности q_s:

Таблица 8.

q, 0C	200	400	600
qs, Вт/м2	192*103	182*103	130*103

Определяем теплонапряженность при q = 425⁰С: q_s = 177796,9 Вт/м².

Таким образом, полный тепловой поток, внесенный в топку:

Q = B*`Q_р^н h_т*10³ = 0,09*49169*0,95*10³ = 4203949,5 Вт.

Эквивалентная абсолютно черной поверхность равна

H_s = Q/q_s = 4203949,5/177796,9 = 23,64 м².

10)       Принимаем степень экранирования кладки y = 0,45; для a=1,05 примем Н_s/H_L = 0.78.

Эквивалентная плоская поверхность:

Н_л = Н_s/ (Н_s/H_L) = 23.64/0.78 = 30.31 м².

Диаметр радиантных труб d_р= 0,152м, диаметр конвекционных труб d_к= 0,114м.

Принимаем однорядное размещение труб и шаг между ними S = 2*d_р = 0,304м.

Для этих значений фактор формы К= 0,87.

11)       Величина заэкранированности кладки:

Н = Н_п/К = 30,31/0,87 = 34,84 м².

12)      Поверхность нагрева радиантных труб:

F_рад= 3,14*Н/2 = 3,14*34,84/2 = 54,7 м².

Таким образом, выбираем печь Б1 54/6.

Характеристика печи

Таблица 9

Шифр
Поверхность камеры радиации, м2	54,0
Поверхность камеры конвекции, м2	54,0
Рабочая длина печи, м	6,0
Ширина камеры радиации, м	1,2
Способ сжигания топлива	Беспламенное горение

Длина l_пол= l-0,8 = 6-0,8 = 5,2.

Число труб в камере радиации: n_р = 54/3,14*0,152*5,2 = 21,76.

Теплонапряженность радиантных труб: q_р = 2387431/54 = 44211,69 Вт/м².

Число конвективных труб: n_к = 54/3,14*0,114*5,2 = 29,01.

Располагаем трубы в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду, шаг между трубами S = 1,7*d_к = 1,7*0,114 = 0,19м.

Рис. 3. Принципиальная схема рассматриваемой технологической печи.

13)      Средняя разность температур:

Dt_ср = [(t_n-t_k)-(t_ух-t₁)]/ln[(t_n-t_k)/(t_ух-t₁)]

Dt_ср = [(916,4-260,4)-(450-151)]/ln[(916,4-260,4)/(450-151)] = 454.2⁰C

14)      Коэффициент теплопередачи:

К = Q_конв/Dt_ср*F = 795810/454.2*54 = 32,46 Вт/м²*К.

15)      Теплонапряженность поверхности конвективных труб:

q_k= Q_конв /F = 795810/54 = 14737.2 Вт/м².

Гидравлический расчет змеевика печи

Для обеспечения нормальной работы трубчатой печи необходимо обосновано выбрать скорость движения потока сырья через змеевик. При увеличении скорости движения сырья в трубчатой печи повышается коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что способствует снижению температуры стенок, а следовательно, уменьшает возможность отложения кокса в трубах. В результате уменьшается вероятность прогара труб печи и оказывается возможным повысить тепло напряженность поверхности нагрева. Кроме того, при повышении скорости движения потока уменьшается отложение на внутренней поверхности трубы загрязнении из взвешенных механических частиц, содержащихся в сырье.

Применение более высоких скоростей движения потока сырья позволяет также уменьшить диаметр труб или обеспечить более высокую производительность печи, уменьшить число параллельных потоков.

Однако увеличение скорости приводит к росту гидравлического сопротивления потоку сырья, в связи с чем увеличиваются затраты энергии на привод загрузочного насоса, так как потеря напора, а следовательно, и расход энергии возрастают примерно пропорционально квадрату (точнее, степени 1,7-1,8) скорости движения.

Находим потерю давления водяного пара в трубах камеры конвекции.

Средняя скорость водяного пара:

 [м/с],

где - плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции,  кг/м³; d_к – внутренней диаметр конвекционных труб, м; n – число потоков.

Значение критерия Рейнольдса:

, где  - кинематическая вязкость водяного пара.

Общая длина труб на прямом участке:

 [м].

Коэффициент гидравлического трения:

.

Потери давления на трение:

 .

Потери давления на местные сопротивления:

,

где

Общая потеря давления:

 [кПа].

Расчет потери давления водяного пара в камере радиации

Средняя скорость водяного пара в трубах радиационной камеры составляет:

м/с,

где - плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции, кг/м³; d_р – внутренней диаметр конвекционных труб, м; n – число потоков.

Значение критерия Рейнольдса:

, где  - кинематическая вязкость водяного пара.

Общая длина труб на прямом участке:

 [м].

Коэффициент гидравлического трения:

.

Потери давления на трение:

 .

Потери давления на местные сопротивления:

.

где

Общая потеря давления в камере радиации:

 [кПа].

Общие потери давления в печи:

4.4 Тепловой баланс котла-утилизатора (анализ процесса парообразования)

Рис. 4 Эскиз КУ.

Исходные данные для расчета котла-утилизатора