ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Химико-технологический факультет Курсовая работа по курсу энерготехнологии на тему: Утилизация вторичных энергоресурсов Выполнил ст. гр. ХТБ-95: Нагорный О. В. Проверил: Саулин Д. В. Пермь, 1999 Введение
По запасам и видам топлива Россия занимает одно из первых мест в мире. Но тем не менее и у нас сегодня остро стоит проблема рационального использования энергии. Это связано со стремлением уменьшить топливную составляющую в себестоимости выпускаемых предприятием продуктов. Существенной экономии топлива можно достигнуть за счет утилизации теплоты отходящих газов. В данной работе представлены два варианта технологических схем утилизации “тепловых отходов”. Расчет материального, теплового балансов и параметров необходимого оборудования осуществляли с использованием DESIGN-II. Исходные данные (Вариант-60) Расход дымовых газов: 80000 нм3/ч Состав дымовых газов: СО2 - 89% Н2О - 10% О2 - 1% Давление потока: 0, 5 ати Температура потока: 320 °С Возможные варианты использования тепловой энергии Утилизированное тепло может быть использовано для: выработки насыщенного пара подогрева технологическрй воды
комбинировано (выработка пара и подогрев технологической воды) ПАР: В технологии может быть использовано до 20 т/ч насыщенного пара с давлением 3, 5 ати, до 15 т/ ч насыщенного пара с давлением 12 ати, и до 10 т/ч насыщенного пара с давлением 40 ати.
ВОДА: Кроме насыщенного пара есть необходимость в подогреве до 160 т/ч питательной воды котлов с температурой 126°С и давлением 45 ати или 100т/ч питательной воды с температурой 103 °С и давлением 2, 5 ати (при подогреве вода не должна закипеть). ОТОПЛЕНИЕ: Утилизированное тепло также может быть использовано для подогрева до 70т/ч воды для отопления производственных помещений, имеющей давление 1, 5 ати и температуру 35°С до температуры 95 °С. Рис. 1. Технологическая схема установки утилизации тепла №1
Описание технологической схемы первого варианта утилизации тепла Предложенный вариант энерготехнологического использования тепловых отходов (см. рис. 1. ) дает возможность получать 10 т/ч насыщенного пара с давлением 3, 5 атм и подогревать для отопления производственных помещений 70 т/ч воды, имеющей давление 1, 5 ати, с температуры 35°С до температуры 95 °С. Небольшой расход дымовых газов - 80000 нм3/ч с Т=320°С и P=0, 5 ати ограничил номенклатуру производимых полезных энергоносителей. На рис. 1. представлена технологическая схема утилизации “тепловых отходов” №1. Образованные в основном технологическом процессе дымовые газы последовательно пропускаются через ряд теплообменников. Теплообменники X1 и X2 представляют собой котел утилизатор для выработки насыщенного пара. Для расчета параметров теплообменников в опции basic был выбран вариант - UA exchanger. Площадь поверхности теплообмена подбиралась таким образом, чтобы нагреваемая вода на выходе из теплообменника была полностью превращена в насыщенный пар (пар не перегревался). Теплообменники Х3, Х4, Х5 выполняют функцию подогревателей воды до для отопления производственных помещений.
Движение теплоносителей было задано противоточным, т. к. для передачи одного и того же теплового потока Q при противоточной схеме требуется теплообменник меньшей площади [1]. Еще одно преимущество противоточного теплообменника заключается в том, что холодный теплоноситель в нем можно нагреть до температуры более высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе. В таблице 1 приведены основные параметры теплообменников. Таблица 1 Параметры теплообменников. Equipment Name X-1 X-2 X-3 X-4 X-5 Overall Heat Trans. Coef. kcal/hr/m2/C 42, 99 42, 99 42, 99 42, 99 42, 99 Area Per Shell m2 835 500 950 700 810 Number Of Shells 1 1 1 1 1 Shell Passes 1 1 1 1 1 Tube Passes 1 1 4 4 4 Delta Pressure Shellside kg/cm2 0 0 0 0 0 Calculated Duty Shellside kcal/hr -4013900 -1286700 -2390400 -1121200 -793230 Mean Temperature Diff. C 111, 8 59, 89 64, 87 39, 59 24, 77 Расчет степени утилизации тепла:
Qвх=GвхCPвхTвх=3569, 7kgmol/hr*10, 97kcal/kgmolK*593K=2, 32*107kcal/hr, где Qвх теплота потока дымовых газов с расходом Gвх и теплоемкостью СPвх на входе в установку.
Qвых=GвыхCPвыхTвых=3569, 7kgmol/hr*9, 18кcal/kgmolK*327K=1, 07*107kcal/hr, где Qвых теплота потока дымовых газов с расходом Gвых и теплоемкостью СPвых на выходе из установки. h==54% Рис. 2. Технологическая схема установки утилизации тепла №2
Описание технологической схемы второго варианта утилизации тепла
По указанной выше технологической схеме видно, что дымовые газы проходят последовательно четыре теплообменника. Причем последовательность прохождения соответствует уменьшению энергетического потенциала получаемых теплоносителей. Первые два теплообменника X1 и X2 выполняют роль котла-утилизатора для выработки 10 т/ч насыщенного пара с давлением 3, 5 ати. Теплообменник X3 предназначен для нагрева 40 т/ч питательной воды с температурой 103°С и давлением 2, 5 ати (вода не закипает). С помощью теплообменника Х4 подогревается 30 т/ч воды для отопления производственных помещений, имеющей давление 1, 5 ати с температуры 35°С до температуры 95°С.
Теплообменники X1, X2, X3 были рассчитаны по варианту UA exchanger, теплообменник X4 - по варианту Duty. Тепловая нагрузка может быть определена по формулеDQ=G*Cp*DT, где G - расход воды на отопление помещений (G=1665, 2 kgmol/hr), Сp- изобарная теплоемкость воды, которая взята как средняя между изобарными теплоемкостями воды при температурах 35°С и 95°С (Сp»18, 466 kcal/kgmol*C), DT - разность температур потока (DT=95-35=600С). Тепловая нагрузка в опции Duty ставится со знаком минус, т. к. дымовые газы охлаждаются.
По исходным данным были рассчитаны основные параметры теплообменников. Результаты приведены в таблице 2. Таблица 2. Параметры теплообменников Equipment Name X-1 X-2 X-3 X-4 Overall Heat Trans. Coef. kcal/hr/m2/C 42, 99 42, 99 42, 99 42, 99 Area Per Shell m2 835 500 990 990, 7 Number Of Shells 1 1 1 1 Shell Passes 1 1 1 1 Tube Passes 1 1 1 1 Delta Pressure Shellside kg/cm2 0 0 0 0 Calculated Duty Shellside kcal/hr -4013900 -1286700 -1551600 -1845000 Specified Duty Shellside kcal/hr 0 0 0 -1845000 Mean Temperature Diff. C 111, 8 59, 89 36, 47 43, 32 Расчет степени утилизации тепла:
Qвх=GвхCPвхTвх=3569, 7kgmol/hr*10, 97kcal/kgmolK*593K=2, 32*107kcal/hr, где Qвх теплота потока дымовых газов с расходом Gвх и теплоемкостью СPвх на входе в установку.
Qвых=GвыхCPвыхTвых=3569, 7kgmol/hr*9, 39кcal/kgmolK*354, 4K=1, 188*107kcal/hr, где Qвых теплота потока дымовых газов с расходом Gвых и теплоемкостью СPвых на выходе из установки. h==49% Заключение
Установка, приведенная на технологической схеме первого варианта утилизации тепла, представляется более оптимальной, чем вторая. Необходимо отметить, что на внедрение в производство первой установки требуются большие капитальные вложения, чем на внедрение второй. Но дополнительные затраты целесообразны, об этом говорят приведенные ниже достоинства первой установки. На первой установке достигается более эффективное использование “тепловых отходов”, степень утилизации тепла составляет 54%. Это больше, чем соответствующая величина для второй установки, ееh=49%.
Также на первой установке более рационально выбраны виды вырабатываемых теплоносителей. Их только два: насыщенный пар и вода для отопления производственных помещений. За счет этого была увеличена производительность их выработки. Увеличение производительности почти всегда приводит к снижению себестоимости продукции.
По воде для отопления помещений была достигнута максимально требуемая производительность (70т/ч). Это позволяет не привлекать дополнительных вложений для обеспечения работы специальных отопительных систем.
Кроме того по первой технологической схеме воду для отопления помещений предлагается подогревать в многоходовых теплообменниках. Это дает возможность делать теплообменники более компактными. При расчете в DESIGN II для таких теплообменников в опции Geometry было задано количество ходов в трубах теплообменника.
Теплота конденсации водяных паров из состава дымовых газов использована не была. Изменение агрегатного состояния теплоносителя (или части теплоносителя) вызывает сложности при конструировании теплообменных аппаратов, требует использования стойких к кислой среде материалов (при конденсации дымовых газов pH~5, 5) и, следовательно , увеличивает их стоимость. Но необходимо отметить, что очень интенсивная передача теплоты при конденсации паров позволяет создавать компактные теплообменники, которые в перспективе могут быть широко внедрены в производство. Второе ограничение понижения температуры отходящих дымовых газов - экологическое. Нельзя допускать такую температуру дымовых газов, которая препятствует их рассеиванию в атмосфере. Они не должны садится, например, на улицах города. Библиография Баскаков А. П. Теплотехника. М. : Энергоиздат. 1982. 264 с.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. : Химия. 1973. Конспект лекций по энерготехнологии. 1999.