Теоретические основы энерготехнологии химических производств
..pdfло отдаёт |
окружающей |
|
||||
среде. В данном случае, |
|
|||||
при выборе агента необ |
|
|||||
ходимо |
учитывать |
тем |
|
|||
пературу |
окружающей |
|
||||
среды, |
т.к. |
|
агент |
при |
|
|
давлении Pj должен быть |
|
|||||
полностью |
сконденсиро |
|
||||
ван. Поэтому |
для завер |
|
||||
шения цикла процесс ох |
|
|||||
лаждения с |
конденсаци |
|
||||
ей ведут по линии 4-5. |
Рис. 1.28. Прямой цикл на насыщенном паре: |
|||||
После |
конденсации |
па |
||||
ровой фазы (точка 5) об |
1-2 - нагревжидкостидотемпературы кипения, 2-3 |
|||||
разовавшаяся |
жидкость |
- кипение жидкости с получением сухого насыщен |
||||
ного пара, 3-4 - работа пара в машине с частичной |
||||||
нагнетается насосом с Pj |
||||||
конденсацией, 4-5 - конденсация влажного пара в |
||||||
до Р2 и далее |
направля |
конденсаторе, 5-1- повышениедавлениясР\ доРг |
ется обратно в цикл.
В промышленности цикл на насыщенном паре применяется относи тельно редко и только там, где перегрев пара выше температуры насыще ния связан с определенными трудностями. Это в основном связано с тем, что интенсификация данного -цикла ограничена критической точкой (К), по мере приближения к которой количество тепла, идущего на испарение (линия 2-3), уменьшается, что в свою очередь приведет к увеличению по тока рабочего тела и повышению габаритов всего оборудования.
В отличие от цикла на насыщенном паре, при осуществлении цикла на перегретом паре (рис. 1.29) сухой насыщенный пар (точка 3) подается не в машину, а в пароперегреватель для дальнейшего повышения своих параметров и только после этого в машину. По сравнению с циклом на насыщенном паре, цикл на перегретом паре позволяет проводить процесс более интенсивно, т.к. количество утилизированного тепла за цикл значи тельно выше (линия 1-2-3). При этом увеличивается также полезная рабо та, совершаемая паром (линия 4-5), и после совершения работы есть воз можность получить сухой насыщенный пар, не содержащий жидкой фазы, что позволит значительно упростить и удешевить конструкцию машины. Однако по сравнению с циклом на насыщенном паре, количество тепла, которое необходимо отдать в данном цикле окружающей среде (линия 5-
Рис.1.29. Прямой цикл на перегретом паре:
1-2 - нагрев жидкости до температуры кипения, 2-3 - кипениежидкостис получениемсухогонасыщенногопа ра, 3-4 - перегрев пара, 4-5- работа пара в машине без конденсации, 5-6- конденсациясухогонасыщенногопара вконденсаторе, 6-1- повышениедавлениясР\ доPi
лодильные компрессионные установки. Также
Рис.1.30. Обратный цикл на перегретом паре;
1-2 - кипение жидкости с получением сухого насыщен ного пара, 2-3 - сжатие пара в компрессоре с получе нием перегретого пара, 3-4 - охлаждение перегретого пара, 4-5 - конденсация насыщенного пара в конденсаторе. 5-6 - охладжение жидкости, 6-1 сбросдавления с Pi до Р\, 5'-6' - сбросдавления с Pi до Р\ с частичным испарениемжидкости
б), значительно выше, что приведет к увеличе нию размеров теплооб менника-конденсатора.
Основным способом использования йизкопотенциального тепла яв ляется повышение его потенциала (температу ры) в обратном цикле на перегретом паре (рис. 1.30). На базе этою цикла создаются разно образные установки, на звание которых зависит от целей их создания. Так, на базе данною цикла основаны все хо-
данный цикл используется для трансформации нит копотенциального тепла в более высокопотенци альное, и при этом уста новки называются “трансформаторами теп ла” или “тепловыми на сосами”.
Суть данного цикла (рис. 1.30) заключается в том, что низкопотенци альное тепло отдается рабочему телу, которое при этом кипит при дав лении Р1 и температуре Тх (линия 1-2). Образо вавшийся при кипении сухой насыщенный пар
(точка 2) адиабатически сжимается в компрессоре до давления Р2(линия 2- J). При этом его температура увеличивается до Т2 и он переходит в пере гретое состояние. Далее происходит процесс охлаждения пара, его конден сации и охлаждения жидкости (линия 3-4-5-6). Если охлаждение системы до точки 6 невозможно или невыгодно, то после некоторого охлаждения (до точки 5') давление сбрасывают, и система переходит в адиабатическом процессе до точки б'. Согласно диаграмме, точка 6 ' находится в двухфаз ной области и характеризуется некоторой степенью сухости дг6-, т.е. при сбросе давления происходит процесс кипения с образованием паровой фа зы. Если процесс охлаждения шел по линии 5-6, то по достижении точки 6 давление жидкости сбрасывается с Р2до Р\ (т.е. система переходит в точку /) и она снова поступает на испарение. Если процесс шел по линии 5-5-6', то по достижении точки 6' система снова поступает на испарение. Однако в этом случае количество тепла, " накачанного" » единицу массы рабочего тела^будет меньше. Как и при прямом способе использования энергии, данная схема может работать и на насыщенном паре, однако при этом бу дут наблюдаться те же недостатки и ограничения.
Из вышесказанного следует, что на путь протекания процессов и со ответственно на конструкцию установки влияет значительное количество параметров, причем это влияние неоднозначно. Поэтому необходим ин дивидуальный подход к проектированию установок утилизации низкопо тенциальных энергоресурсов в каждом конкретном случае.
Одним из примеров тепловых насосов, применяемых в химической промышленности, могут быть ректификационные колонны с утилизацией теплоты, выделяемой в дефлегматоре, которая обычно выбрасывается.
На рис. 1.31,а представлена обычная технологическая схема ректифи кационной колонны, в куб которой подается теплота QJt необходимая для создания потока пара в колонне, а теплота конденсации потока пара (Qj) из дефлегматора D обычно выбрасывается в атмосферу. Однако это тепло можно утилизировать. Так, на рис. 1.31,6 представлена технологическая схема узла разделения с частичной утилизацией тепла, выбрасываемого в дефлегматоре. В этом случае паровая фаза (в насыщенном состоянии) из верхней части колонны сжимается в компрессоре С за счет работы L. При сжатии температура газа повышается и он пеоеходит в перегретое со стояние (процесс 2-3 на рисЛ.30). Далее, этот газ подается в теплообмен ник £>/, подогревающий куб колонны за счет теплоты Q2 (процессы 3-4 и 4-5), а затем в дефлегматор D2>где теплота Q3 (процесс 5-6) выбрасывает-
а
Рис.1.31. Пример использования тепловых насосов вхимической промыипенности
ся в атмосферу. Следует учесть, что этот поток имеет повышенное давле ние, при адиабатическом сбросе которого поток возможно дополнительно охладить или использовать избыточное давление для транспортировки жидкости или подачи флегмы в колонну.
Таким образом, Qi и Qt на рис. 1.31,а больше, чем Q3 и Qt на рис. 1.31,6, т.к. часть тепла паров, выходящих из верха колонны,использу ется для подогрева куба колонны, что позволяет экономить тепло, необ ходимое для работы колонны, и достичь лучших технико-экономических показателей.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
2.1. Топливо
По определению Д.И.Менделеева, "топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты" Горючие ве щества, т.е. вещества,способные при повышенных температурах реагиро вать с кислородом воздуха с выделением большого количества тепловой
энергии,достаточно распространены и могут встречаться в трех агрегат ных состояниях:
-твердые (древесина, торф, уголь и т.п.),
-жидкие (нефть, мазут, бензин и т.п.),
-газообразные (природный газ, коксовый газ и т.п.).
В свою очередь, топливо может быть естественное или природное или искусственное, т.е. получаемое в технологических процессах.
Из человеческого опыта известно, что одни виды топлив при сжига нии дают большее количество тепла, а другие - меньшее. Поэтому одной из важнейших характеристик топлива является количество тепла, выде ляемого при полном сжигании единицы массы топлива, которое в свою очередь определяется сложностью его химического состава.
Наиболее простой состав имеет газовое топливо, так как только лег кие углеводороды (до С5) и горючие газы (Н2, СО и т.п.) могут находить ся в газообразном состоянии при обычных условиях и при условиях их добычи. Поэтому основными компонентами газового топлива являются:
СН4, С2Нб, С2Н4, С3Н8, С4Н10, CsHi2, H2S, Н2 и др.
Причем чем ниже температура кипения того или иного углеводорода, тем большее его количество содержится в природном газовом топливе. Так, например, природный газ на 90-98 %об. состоит из метана (СН4), а количество бутана (С4Н10) и высших углеводородов сильно зависит от ме сторождения, но, как правило, не превышает 0,5 %об. Более "тяжелый" попутный нефтяной газ имеет похожий состав, однако количество метана в его составе несколько меньше - 60-90 %об., а содержание бутана и высших углеводородов может достигать 3-5 %об.
В отличие от газового топлива, состав которого можно достаточно легко определить с помощью существующих методов анализа, состав твердого и жидкого топлива достаточно сложен и обычно неизвестен. Это связано с тем, что жидкое топливо, как правило, имеет переменный со став и содержит весь набор углеводородов от пентана, октана, их гомоло гов и до полиароматических углеводородов. Поэтому его характеризуют массовым содержанием образующих элементов, определяемых в резуль тате элементного анализа или массовым содержанием фракций, которые испаряются из жидкости в заданных интервалах температур.
Известно, что основными элементами, входящими в состав любого топлива, являются: углерод, водород, сера, азот и кислород. Так как при горении все органические соединения разрушаются и образуются С 02,
H20 , S02 и 1М02, т о принято считать, что для инженерных расчетов нет необходимости точно расшифровывать состав жидкого и твердого топли ва, а в качестве состава можно использовать массовое процентное содер жание углерода, водорода, серы, азота и кислорода. Кроме горючих ком понентов, топливо может содержать негорючие вещества (песок, глина и т.п.) и, в зависимости от способа добычи топлива и хранения, может ха рактеризоваться некоторой влажностью. Поэтому состав топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называется рабочим соста вом топлива и обозначается индексом "р" или V - real;
С1’ + f f + (У + N1’ + У о,.г, к + Ар + W1' = 100%,
где А1' - зольность топлива, состоящая из смеси минеральных соединений, которые остаются после сгорания топлива. Определяется прокалкой твердого топлива при 800-825°С (жидкого топлива при 500°С) до дости жения постоянного веса. В состав золы в основном входят: Si02, AUO3, Fe20 3, CaO, MgO, K20 , Na20 , V20 5, сульфаты и т.д. Иногда зола содержи i радиоактивные изотопы элементов. Кроме того, что зола играет роль бал ласта, соединения, входящие в состав золы, могут образовывать легко плавкие эвтектические смеси, которые могут плавиться и налипать на стенки котла и на теплопередающие поверхности. Поэтому при отсутст вии доступного малозольного топлива высокозольное топливо предвари тельно обогащают.
Wр - влажность топлива, определяется высушиванием топлива (дове дением до постоянного веса) при 105-1 !0°С. Естественно, влажность иг рает отрицательную роль, т.к. часть теплоты горения топлива будет рас ходоваться на испарение воды. Поэтому по мере возможности топливо предварительно сушат за счет бросовых источников теплоты.
Сумма Ар и Wp является негорючей частью топлива и называется внешним балластом, т.к. зола и влага не связаны химически с горючими веществами и в принципе могут быть удалены. Напротив, содержащийся в составе топлива кислород и не участвующий в горении азот называются внутренним балластом топлива.
Кроме рабочего состава топлива различают сухой состав топлива (индекс "с" или V - dry):
С1' + н 1' + Ог + N1' + & огг к + л ‘ = 100%,
и беззольно-сухой (горючий) состав топлива (индекс V или "daf - dry - ashfree): c f + H1 + of + Nr + S'orr+K = 100%.
Если говорить о горючем составе топлива, то необходимо отметить еще один параметр, который определяет качество топлива. Этим пара метром является выход летучих - Vе Чем выше выход летучих, тем легче топливо зажечь и тем стабильнее оно будет гореть. Выход летучих изме ряется в массовых процентах на сухое беззольное состояние топлива по сле его прокалки при 850°С в течение 7 минут. Таким образом, "летучие" - это легкие углеводороды, которые испаряются из топлива или образу ются при крекинге углеводородов топлива (в этом случае выход летучих характеризует способность топлива к крекингу).
К природным твердым топливам относят: дрова, торф, бурый уголь, сланцы, каменный уголь и антрацит. Как видно из этого ряда, исключая древесину, остальные виды твердых топлив являются ископаемыми. Эти виды топлив являются продуктами разложения органической массы и от торфа к антрациту возраст топлив увеличивается. С увеличением возраста твердого топлива количество углерода увеличивается с '40% у древесины до 93% у антрацита, количество водорода уменьшается с 6 до 2%, а коли чество кислорода уменьшается с 42% до 2%, соответственно. При этом количество летучего остатка, т.е. способность топлива к зажиганию и стабильному горению, снижается с 85-90% у древесины до 3-4% у антра цита (поэтому древесина легко зажигается и стабильно горит). Количест во золы определяется условиями образования топлива и способом его до бычи. Ценность угля, кроме того, определяется возможностью его ококсовывания (кокс - топливо, содержащее более 97% углерода), т.к. кокс, например, широко используется в металлургии.
В отличие от твердых топлив, жидкие топлива являются продуктами переработки нефти при температуре до 300-370°С. Сначала из нефти вы деляется около 1 % сжиженного газа, а затем остаток разделяют на бензи новую, керосиновую и дизельную фракции. Жидкий остаток с температу рой кипения более 350-370°С называется мазутом, который далее может использоваться как топливо, а может перерабатываться далее. Обычно глубина переработки нефти определяется техническими и экономически ми параметрами. Состав мазута сильно зависит от состава нефти, однако в среднем его состав следующий: C^=84-86%, tf/=10-12%, SF=0,5-4,5%, Ар=0,1-0,2%, ^<1,5% .
Газовое топливо бывает как ископаемое, так и искусственное:
-природный газ (в основном СН4),
-попутный газ, добываемый при добыче нефти (меньше СН4 и больше высших углеводородов),
сжиженный газ, получаемый при переработке нефти (используется
для бытовых целей в составе: 50% пропана и 50% бутана, а зимой - 75 и 25% соответственно),
-коксовый и доменный газы, содержащие как углеводороды, так и СО и Н2,
-биогаз, получаемый при брожении органического топлива.
2.2. Материальный баланс горения топлива
Как было сказано ранее, каким бы сложным ни был состав углеводо родного топлива, при его полном сгорании углерод окисляется до С 02, водород - до Н20 и сера - до S02 по следующим уравнениям реакций:
Н2 + 0,5О2 = Н20 С + о 2 = с о 2. s + o 2 = s o 2.
Полное сгорание подразумевает, что кислорода воздуха должно хва тить для протекания этих реакций. Поэтому для заданного рабочего со става топлива можно легко рассчитать теоретически необходимое для полного сгорания топлива количество кислорода и соответствующий объ ем воздуха У°ВОзДунм3/кг:
( 2. 1)
а также объемы образовавшихся продуктов сгорания: С 02, S02 и Н20 (в нм3/кг):
VCOi = 0,01867с: |
( 2. 2) |
Уso, = 0 ,0 0 7 0 0 5 ^ , |
(2.3) |
VHjQ = 0,111 %HF+ 0,012AW: |
(2.4) |
Сумма образовавшегося объема углекислого и сернистого газов на зывается объемом сухих трехатомных продуктов сгорания:
V |
= V +v . |
(2.5) |
yROj |
Y COj ^ vSOj • |
Быстро и равномерно смешать поток воздуха с потоком топлива прак тически невозможно, поэтому в топку приходится подавать большее коли чество воздуха, чем необходимо по стехиометрии. Отношение количества воздуха,действительно подаваемого в топку (*возд)«к теоретически необхо димому количеству (Р^возд) называется коэффициентом избытка воздуха:
а = |
( 2.6) |
При нормальной организации топочного процесса всегда а>1, при чем чем совершеннее топка и лучше происходит перемешивание топлива и воздуха в горелочном устройстве, тем меньше необходимо подавать из быточного воздуха. Как правило, для хороших горелочных устройств
а»1,05-1,10 , а для плохих а*1,30-1,50 и более.
Так как в топку подается большее количество воздуха, чем необхо димо по стехиометрии, то часть поданного воздуха в процессе горения не участвует, а "транзитом" проходит через топку, увеличивая тем самым объем дымовых газов и унося тепло. При стехиометрическом сжигании удельный объем дымовых газов (в нм3/кг) равен сумме -объемов продук тов горения и объему инертов воздуха (азот, аргон и т.п.):
У г ~ У *о г + У н 2о + ^ и нерт “ V ROJ + ^ я ,о + 0,79КвоЗД• |
(2.7) |
Удельный объем дымовых газов с учетом избытка подаваемого воз |
|
духа (с учетом количества инертов и избыточного кислорода) |
|
у Г = Уно, + Уи,о + 0,79аСад + 0,2 l(a - 1)- У^ш » |
(2.8) |
где 0,79а^зд - удельный объем инертов воздуха, |
|
0,2 l(a - 1)^зд - удельный объем избыточного кислорода. |
|
При известном количестве сжигаемого топлива (С7топл> кг/ч), расход
дымовых газов (<7Г, нм3/ч) и необходимый расход воздуха (С?возд, |
нм /ч) |
можно рассчитать: |
|
^возд ~ ^топп^воад ? |
(2.9) |
“ ^топлК . |
(2.Ю) |
При известных объемах продуктов сгорания легко рассчитать состав
С02 = 1О О ^-,
|
|
Гг |
0 аГ |
|
J |
0 0 -« |
||
4 |
.b |
|
|
II |
- |
|
|
(2.11)
(2.12)
s o , = 100^ |
- » |
|
(2.13) |
|
Гг |
1000.21(^возд-Сд) |
|
||
О |
|
(2.14) |
||
1 |
Гг |
vr |
||
|
содержание в воздухе инертных газов (аргон и др.) можно условно сум мировать с концентрацией азота, тогда:
N = IOO^ W |
= 10о 0,79аР^ д |
(2.15) |
|
Уг |
Гг |
||
|
Если топливо находится в газообразном виде, то,как правило,доста точно точно известен его молекулярный состав (в %об.) и расход топлива (в нм3/ч). Поэтому для расчета материального баланса по вышеприведен ным формулам необходимо пересчитать состав топлива на Ср, Нр, Ор и Sp (%масс.), либо производить расчет другим способом, например таблич ным. В этом случае нет необходимости использовать приближенные фор мулы, т.к. при известном молекулярном составе топлива можно использо вать точные зависимости.
В связи с тем, что большинство газовых топлив в основном состоит из СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, Н2 и СО, то химизм процесса горения топлива можно описать следующими основными уравнениями реакций (на одну молекулу газа из состава топлива):
СН4 + 20 2 = С 02 + 2Н20 > С2Н6 + 3,502 = 2С02 + ЗН20 , С3Н8 + 502 = ЗС02 + 4Н20 9
С4Н10 + 6,502 = 4С02 + 5Н20 , Н2 + 0,5О2 = Н20^ СО + 0,5О2 = С 02*