Кузнецова В.В., Смородова О.В. Лекции по теплотехнике

Подождите немного. Документ загружается.

ЛЕКЦИЯ 15

Термодинамический анализ

топливосжигающих устройств

Промышленная печь - термотехнологическое устройство,

предназначенное для осуществления физико-химических превращений

исходных материалов путем тепловой обработки их при оптимальных

температурах.

Источником теплоты в пламенных печах служат различные виды

жидкого и газообразного углеводородного топлива.

Жидким топливом для промышленных печей является мазут,

получающийся как остаток после переработки нефти. В соответствии с ГОСТ

1O585-75 для мазутов установлены следующие марки: флотский Ф5 с

государственным Знаком качества, флотский Ф5; флотский Ф12 с

государственным Знаком качества, флотский Ф12» топочный с

государственным Знаком качества М40В, топочный М40; топочный с

государственным Знаком качества M100B, топочный M100.

Флотские мазуты относятся к категорий средних топлив, M100 – к

категории тяжелых мазутов.

По содержанию серы мазуты подразделяются на малосернистые

 

%5,0

, сернистые

 

2,0% ... 0,5

и высокосернистые

 

3,5% ... 2,5

. В

отдельных случаях (при переработке высокосернистой нефти) допускается

содержание серы в мазуте до 4,3 %.

Газообразное топливо имеет ряд преимуществ: простота регулирований

процесса горения и достижения полного сгорания при малом избытке воздуха,

возможность высокотемпературного подогрева перед сжиганием,

пренебрежимо малое содержание минеральных примесей.

Печная установка включает следующие элементы:

- топочное устройство для сжигания топлива и организации

теплообмена;

- рабочее пространство печи для выполнения целевого тех-

нологического режима;

151

- теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых

газов (подогрев воздуха);

- утилизационные установки (запечные котлы - утилизаторы) для

использования теплоты уходящих газов;

- тяговое и дутьевое устройства (дымовая труба, дымососы и

вентиляторы) для удаления продуктов сгорания топлива, газообразных

продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам;

- очистительные устройства (фильтры и т.п.).

Широкое применение высокотемпературной тепловой обработки

материалов привело к созданию разнообразных технологических печей.

По тепловым режимам выделяют две большие группы печей:

1) печи-теплообменники;

2) печи-теплогенераторы.

Внутри каждой группы различают по две физические модели с

соответствующим тепловым режимом: радиационным и конвективным,

характерными для печей-теплообменников, и массообменным и электрическим,

характерными для печей-теплогенераторов.

В печах-теплообменниках зоны теплогенерации (объем топочного

пространства) и технологического процесса (нагреваемая среда) разделены

поверхностью теплообмена. Примером печей-теплообменников являются

трубчатые печи нефтехимического производства.

В печах-теплогенераторах зоны технологического процесса и

теплогенерации совмещены. Пример печи-теплогенератора – печь для обжига в

"кипящем слое".

В пособии приводится пример расчёта трубчатых печей, применяемых в

химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности для таких

технологических процессов, как термический и каталитический крекинг,

перегонка нефти, очистка масел и др. В этих печах теплота передается

трубчатой поверхности и конвекцией, и радиацией. Поэтому они отличаются

высокой тепловой эффективностью.

152

Трубчатая печь представляет собой непрерывный змеевик, по трубам

которого прокачивают нагреваемый продукт. Змеевик такой печи составлен из

прямых труб, соединенных между собой калачами или специальными

перепускными двойниками. Шаг между трубами циста составляет 1,8 ... 2d (d -

нерудный диаметр трубы).

На рис.1 показана типовая двухкамерная печь с наклонным сводом

радиационно-конвективного типа. Наклонный свод способствует равномерному

поглощению лучистой теплоты. Форсунки размещаются в специальных

муфелях, основным видом топлива в трубчатых печах являются – газ и мазут.

Распыл мазута осуществляется паром. При сжигании мазута коэффициент

избытка воздуха в топке





1,4 ... 1,8. При воздушном распыле мазута

коэффициент избытка воздуха в топке снижается до





1,2…1,3, что ведет к

снижению потерь теплоты с уходящими газами. КПД трубчатых печей

составляет 50 ... 70%, а при утилизации теплоты уходящих газов достигает 80

Тепловая мощность трубчатых печей не превышает 30 МВт, а

теплонапряжение поверхности нагрева радиационных труб – 16 ... 55

кВт/м

Скорость дымовых газов в трубном пучке составляет 3 ... 4 м/с при обычной

естественной тяге, которая обеспечивается дымовой трубой высотой 40 ... 50 м.

Скорость жидкой среды в трупах составляет 0.5 ... 3 м/с.

На рисунке 15.1 приведена конвективная трубчатая печь с

горизонтальным расположением труб. Регулирование температуры газов на

входе в конвективный пучок достигается рециркуляцией уходящих газов.

Преимуществом печей конвективного типа является большая степень

равномерности нагрева труб по сравнению с радиационным обогревом в

однорядном экране.

Высокой эффективностью отличаются трубчатые печи с излучающими

стенками (печи беспламенного горения). В них боковые стенки составляются из

беспламенных панельных горелок, позволяющих сжигать топливо с малым

коэффициентом избытка воздуха без потерь от химической неполноты сгорания

153

и при больших тепловых напряжениях топочного объема. Необходимей для

горения воздух инжектируется топливным газом из атмосферы. Паровоздушная

смесь поступает через распределительную камеру горелки в керамические

туннели, равномерно расположенные по всей поверхности горелки. Полное

горение заканчивается в туннеле. Производительность горелок регулируется

изменением давления горючего газа перед соплом инжектора. Высокий к.п.д.

данных печей связан с работой горелок при малых



, что способствует

снижению потерь теплоты с уходящими газами, а также потерь в окружающую

среду вследствие малых габаритов печи. Кроме того, при малых значениях



снижаются выбросы оксидов азота в окружающую среду.

Рисунок 15.1 - Схема двухкамерной печи с наклонными сводами

Полезная тепловая нагрузка печи

Полезно использованное тепло или полезная тепловая нагрузка печи

складывается из количеств тепле, которые передаются продукту в печи для его

нагрева и частичного испарения.

Если в печи помещены несколько самостоятельных змеевиков, то

полезная тепловая нагрузка равна сумме теплот, полученных отдельными

потоками.

154

Полезную тепловую нагрузку рассчитывают по формуле, кВт,

))1((

cотгостс

пол

hehehGQ 

где

- расход продукта, кг/с;

е – массовая доля отгона на выходе из печи;

– удельная энтальпия продукта на входе в печь,

кДж/кг;

ост

отг

– удельные энтальпии жидкой и паровой фаз нефтепродукта на

выходе из печи

кДж/кг.

Энтальпию жидкого нефтепродукта можно рассчитать по формуле,

кДк/кг,

0,00915 / 0,9943()/0,00l7t (1,68t





где



- плотность жидкости при температуре 20 °C

отнесенная к

плотности воды при 4 °С (



1000/



);

t,°С – температура, при которой определяется энтальпия.

Энтальпия углеводородных газов и паров при невысоких давлениях»

кДж/кг,

309)013,4)( t0,0005840,457t 210(





Расчет процесса горения топлива в печи

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формулам:

для жидкого топлива, кДж/кг топл.,

ppP

KOP

25W - )0-I09(S I025H 338





PР

СQ

где

ppP

KOP

W,,0S,H,



– содержание углерода, водорода, серы, кислорода,

влаги в топливе (элементарный состав), % массовый;

для газообразного топлива, кДж/м

топл.,

,H1403CH1461CH1187CH1135CH913C

H860CH638CH591C358CHS234H126CO108HQ

661251048483

636242422





где Н

, СО, H

S и т.д. - объемное содержание газов, входящих в состав

газообразного топлива, % объемный.

Высшая теплота сгорания топлива:

155

для жидкого топлива, кДж/кг,

;25W225HQQ

5pp



для газообразного топлива, кДж/м





HCO

QHCQSHQCOQHQ

где

ii22

HCS,HCO,,H

- объемное содержание газов, входящих

в газообразное топливо, в долях от единицы

iCO

Q...,,Q,Q

- высшая

теплота сгорания водорода, двуокиси углерода и т.д.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания:

1 кг жидкого топлива, м

/кг топл.,

 

;0,0333O0,265H0,375SC0,0899V

ppp

кcp





1 нм

газообразного топлива, м

/м

топл., \

 

.OHC

mS1,5HHCO0,50,0476V

2nm22































Для обеспечения полноты сгорания топлива практически

в печь подается воздух с избытком по сравнению с теоретическим.

Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха

α 

где

0в

L,L

- действительное и теоретическое количество воздуха,

отнесенное к 1 кг или 1 м

сжигаемого топлива, кг/кг топл., кг/м

топл.

Значения коэффициента избытка воздуха зависят от способа сжигания и

вида топлива, принимаются по таблице:

Таблица 15.1 – Значение коэффициента избытка воздуха в печи

Вид топлива Способ сжигания

Коэффициент избытка

воздуха

156

Жидкое

Газообразное

Форсунки с паровым распылом

Форсунки с воздушным распылом

Горение в объеме

1,3...1,4

1,2.. 1,3

1,05.,.1,2

Состав продуктов сгорания. Продукты полного горения топлива состоят

из двуокиси углевода СO

, двуокиси сернистого газа SO

, если в топливе есть

сера, паров воды Н

O, азота N

и избыточного кислорода O

При сжигании жидкого или твердого топлива, м

/кг топлива:

Объем трехатомных газов (СO

и SO

)

 

.0,375SC0,0187V



Объем азота

100.0,8N0,79α,V



Объем водяных паров

 

.V0,016W9H0,0124V

0pp





Объем кислорода

 

.V1α0,21V



Суммарный объем продуктов сгорания

.VVVVV

2222

0OHNROп.с.



При сжигании газообразного топлива, м

/м

топл.:

Объем трехатомных газов (СO

и SO

)

 

.COSHHCCO0,01V

22nmmRO





Объем азота

 

.100NαV0,79V



Объем водяных паров

.V0,01αSHHC

H0,01V

2mm2OH



















157

Объем кислорода

 

.121,0





Суммарный объем продуктов сгорания

2222

.. OOHNROсп

VVVVV 

Энтальпия, кДж/кг топл., кДж/м

топл., продуктов сгорания

       

,tCVtCVtCVtCVH

ROп.с.

















воздуха

 

,tCαVH





где

   

NRO

tC,tC



и т.д. – энтальпии газов, принимаются в зависимости от

их температуры.

Тепловой баланс печи. Коэффициент полезного действия. Расход топлива

Уравнение теплового баланса печи составляется для 1 кг жидкого или 1 м

газообразного топлива, при этом составляющие уравнения измерены в кДж/кг

или кДж/ м

соответственно.

,QQQQQQ

0мехнсухполрасп



где

расп

- располагаемая теплота, т.е. теплота, вносимая в трубчатую печь

при сжигании 1 кг жидкого или 1 м

газового топлива;

пол

- полезно используемая теплота в печи;

ух

- потери теплоты с уходящими продуктами сгорания;

нс

- потери теплоты от химической неполноты сгорания;

мех

- потери теплоты от механической неполноты сгорания;

- потери теплоты в окружающую среду через ограждения печи (стены, под

и т.д.).

Располагаемая теплота

,QQQQQ

фвт.ф

нрасп



где

- низшая теплота сгорания;

т.ф

- физическая теплота используемого жидкого или твердого топлива для

газа 0.

ф » 0);

158

- теплота воздуха, подаваемого в печь, если воздух предварительно

подогревается до печи;

- теплота форсуночного пара.

,tСQ

TТт.ф



где С

- теплоемкость топлива; принять С

= 1,9 кДж/(кгК) (для жидкого

топлива);

- температура топлива, °С.

,HQ

вв



где Н

- энтальпия нагретого воздуха на входе в печь, кДж/кг.

 

,rhGQ

ффф



где

- расход пара для распыливания 1 кг жидкого топлива

;

принимается

0,3...0,5 кг пара/кг топл.;

- энтальпия пара, поступающего к форсункам, кДж/кг;

r - теплота парообразования, кДж/кг.

Разделив уравнение теплового баланса на

расп

, получим

,1qqqqq

0мехнсухпол



где слагаемые представляют собой величины, выраженные в долях от

располагаемой теплоты.

При сжигании жидких и газообразных топлив

нс

мех

пренебрежимо

малы, а

принимают в размере

.Q05)(0,03...0,

расп



Тогда

расп



расп

ух

п.с.

расп

ух





где

ух

п.с.

- определяется по диаграмме Н- t , а

- по формуле

 

tCαVH





при t

Коэффициент полезного действия печи

159

 

.qq1qη

0ухполп



Расход тетива, кг/с, м

/с,

прасп

пол







Проверка теплового баланса, кВт,

 

.QQQQQBQ

0мехнсух

полрасп

 B

160