Расчет доменной печи

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

В технологической печи АВТ ведется нагрев потока отбензиненного сырья с расходом т/ч. Температура сырья на входе в печь °С, на выходе из печи °С. Доля отгона . Плотность сырья кг/м³, плотность отгона кг/м³, остатка кг/м³. Температура газов на выходе из печи °С. Температура топлива, поступающего на горение °С. Температура воздуха, поступающего в печь °С. В качестве тепловой изоляции используется кирпичная кладка, различных материалов. Температуры окружающей среды °С.

После технологической печи, дымовые газы, являющиеся вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) поступают в котел-утилизатор, где отдают часть теплоты для получения сухого насыщенного пара. КУ состоит из испарительной поверхности, состоящей из 4-х пакетов, и экономайзера (происходит подогрев воды до температуры насыщения). Температура питательной воды °С.

 

1 ПОЛЕЗНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА ПЕЧИ

 

Трубчатые печи широко распространены в химической, нефтяной, и нефтеперерабатывающей промышленности и применяются для таких технологических процессов, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел (рисунок 1). Трубчатые печи являются наиболее энергомким оборудованием установок переработки нефти, на их долю приходится до 50% общего энергопотребления предприятия. Кроме того, трубчатые печи потенциально огнеопасный и взрывоопасный объект, поэтому вопросы эксплуатации печей, их техническое состояния, регулирования нагрева и противоаварийная защита с каждым годом становится все актуальнее.

В трубчатых печах  сжигается топливо со значительным содержанием сернистых соединений, отсюда до 50% общезаводских вредных выбросов (SO₂, SO₃, NO_x и др.) содержатся в продуктах сгорания, выбрасываемых дымовыми трубами печей.

Важным моментом является экономия топлива. Для этих целей используются современные энергетические установки, использующие тепло вторичных энергетических ресурсов, т.е. тепла отходящих дымовых газов.

 

1 – форсунки; 2 – муфели; 3, 4 – потолочные экраны;

5, 6 – подовые экраны; 7 – конвекционная камера.

 

Рисунок 1 – Схема двухкамерной трубчатой печи

 

 

 

 

Полезная тепловая нагрузка печи складывается из количества тепла, которое передается продукту в печи для его нагрева и частичного испарения.

 

Полезную тепловую нагрузку рассчитывает по формуле, кВт:

                                  

                              

,                                 (1.1)

 

где  – расход сырья, кг/с;

е – массовая доля отгона на выходе из печи;

 – удельная энтальпия продукта на входе в печь, кДж/кг;

, – удельные энтальпии жидкой и паровой фаз нефтепродукта на выходе из печи, кДж/кг.

 

Энтальпия жидкого нефтепродукта  определяется по формуле, кДж/кг [1]:

                                       

                                             

,                                    (1.2)

 

где  – плотность жидкости для температуре 20°С, отнесенная к плотности воды при 4°С, ( );

 – температура жидкой фазы, при которой определяется энтальпия ( - для сырья; - для остатка нефтепродукта)

 

 

 

 

 

 

Энтальпия углеводородных газов и паров при невысоких  давлениях определяется по формуле, кДж/кг [1]:

 

                          (1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2  РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ПЕЧИ

 

Низшая теплота сгорания определяется по формуле, кДж/м³:

 

      (2.1)

 

где СН₄, С₂Н₆, Н₂, СО, H₂S и т.д. – объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный (Приложение А).

 

 

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного  сгорания 1 нм³ газообразного топлива, м³/м³:

     

           

,             (2.2)

где Н₂, СО, H₂S, С_mH_n и т.д. – объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный;

 

 

 

 

3 КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА

 

Для обеспечения полноты  сгорания топлива воздух в печь подается с избытком по сравнению с теоретически необходимым:

                                              

,                                                     (3.1)

где , – действительное и теоретическое количество воздуха, отнесенное к 1 кг или 1 м³ сжигаемого топлива, кг/кг топлива, м³/м³ топлива.

 

При возникает химический недожег, связанный с несовершенством перемешивания топлива с воздухом на выходе из горелки и развитием зон с недостатком кислорода. При наблюдается снижение температуры в зоне горения и замедления реакции окисления. Одновременно уменьшается время пребывания частиц в высокотемпературной зоне ввиду увеличения объемов продуктов сгорания (как следствие, появления механической неполноты сгорания топлива – зола и шлак). На рисунках 2, 3 показаны зависимости потерь теплоты и к.п.д. от величины коэффициента избытка воздуха.

Рис. 2 – Зависимость потерь  теплоты и КПД от коэффициента избытка воздуха

Рис. 3 – Зависимость потерь  теплоты и КПД от тепловой  мощности котла

 

Коэффициент избытка  воздуха зависит от вида и свойств  топлива, конструкции топочного устройства, способа сжигания и др. Коэффициент избытка воздуха для газообразного топлива равен

 

 

4 ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

 

При полном сгорании 1кг жидкого топлива или 1 м³ газообразного в образующихся газообразных продуктах должны содержаться продукты полного окисления горючих элементов СО₂, SO₂, Н₂О, N₂ и избыток кислорода О₂.

 

При сжигании газообразного топлива  теоретические объемы продуктов горения определяется, м³/м³:

 

– объем трехатомных  газов (СО₂ и SO₂)

 

                       

                       (4.1)

 

 

 

– объем азота

                                           

                                 (4.2)

 

 

– объем водяных паров

         

                

            (4.3)

 

 

– объем кислорода

                                 

                                            

                                            (4.4)

 

 

– суммарный объем  продуктов сгорания (действительных)

 

                                       

                                           (4.5)

 

 

 

 

Процентный состав какого-либо компонента в продуктах сгорания определяется из соотношения:

                                 

                                 

и т.д.                       (4.6)

 

 

 

 

 

5 ЭНТАЛЬПИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

 

Энтальпия продуктов  сгорания рассчитываете на 1 кг жидкого  или на 1м³ газообразного топлив, кДж/кг (кДж/м³):

 

                        

            (5.1)

 

где , , , – энтальпия газов, принимается в зависимости от температуры газов °С по таблице Приложения В.

 

 

Энтальпия действительного  количества воздуха, кДж/кг (кДж/м³):

 

                                                 

                                                    (5.2)

 

где энтальпия воздуха, принимается в зависимости от температуры °С по таблице Приложения В.

 

 

6 ПОСТРОЕНИЕ H−t ДИАГРАММЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

 

H−t диаграмма (зависимость  энтальпии газов о температуры) используется для графического определения энтальпии продуктов сгорания при различных температурах и заданном избытке воздуха.

 

Энтальпия газов (отнесенных на 1 м³ дымовых газов),  при произвольно выбранных температур , кДж/кг (кДж/м³):

 

                                                    

,                                                    (6.1)

 

где – энтальпия продуктов сгорания по формуле (5.1) при задаваемых температурах. Расчетные точки построить в системе координат H−t на миллиметровой бумаге и соединить линейной зависимостью.

 

 

 

 

 

 

Расчетные точки построены в системе координат H−t на миллиметровой бумаге и соединены линейной зависимостью.

 

7. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

 

Эффективность использования  топлива в топочном устройстве определяется двумя основными факторами: полнотой сгорания топлива в топочной камере и глубиной охлаждения продуктов сгорания.

Распределение вносимой в топку теплоты на полезно используемую и тепловые потери производится путем составления теплового баланса. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива либо на 1 м³ газообразного топлива.

 

Располагаемая теплота, кДж/кг (кДж/ м³):

 

                                          

,                                    (7.1)

 

Для газообразного топлива:

               

 

 

 

Наибольшей из потерь, как правило, является потеря теплоты с уходящими газами, %:

                                           

,                                   (7.2)

 

 

Потеря теплоты через ограждения (

) при установившемся режиме определяются по уравнению теплопередачи через плоскую стенку (кВт):

 

                                          

,                                     (7.3)

где  , – температура внутренней поверхности стенки, °С. Принять =200°С.

 – площадь наружной поверхности  стенок, м². Размеры печи по внешней стороне (Д×Ш×В=10×6×5 м). Тепловые потери определись со стороны свода и боковых сторон (потерями через под печи пренебречь).

 

 – термическое сопротивление  теплопередаче, (м²·К)/ Вт. Определяется по формуле:

 

                                                       

,                                                 (7.4)

 

где  – толщина i-го слоя кладки, м;

   – коэффициент теплопроводности материала i-го слоя кладки, Вт/(м·К);

 

Значение коэффициентов  теплопроводности слоев определяются при средних температурах по формуле:

- для слоя шамотного кирпича

 

      ;                       (7.5)

 

где  - средняя температура внутри слоя.

 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки в окружающую среду, Вт/(м²·К). Определяется по формуле:

 

                                    

,                                                    (7.6)

 

где – температура наружной поверхности стенки.