Энерготехнологические установки

При производстве целлюлозы широко применяют ЭТА, в которых осуществляется технологический процесс, сжигание так называемого черного щелока с восстановлением сульфата натрия. Одновременно в ЭТА вырабатывается водяной пар. Схема регенерации химикатов при производстве целлюлозы сульфатным способом [5] показана на рис. 28.

Древесная щепа поступает в варочный котел 1, в котором обрабатывается под давлением водяным паром в растворе едкого натрия NaOH и сульфида натрия Na₂S, известного под названием белого щелока. Во время варки лигнин древесины растворяется в щелоке. Целлюлозная масса отделяется от варочного раствора и после промывки в баке 9 направляется в очистительное устройство и бумагоделательные установки. Варочный раствор, отмытый от целлюлозной массы, образует так называемый черный щелок, имеющий влажность W₁ = 70 %. Для возврата в производство черный щелок, основными компонентами минеральной части которого являются Na₂S, NaOH и Na₂SO₄, подлежит регенерации. Для этой цели он упаривается в многокорпусной выпарной установке 8 до содержания влаги W₂ = 45 %. В каскадном испарителе 7 его влажность снижается до W₃ = 33 %.

В данной установке применен каскадный испаритель, который обогревается горячим воздухом с температурой 300 °С, поступающим из вращающегося регенеративного подогревателя 6. После каскадного испарителя упаренный черный щелок и воздух поступают в топку содорегенерационного агрегата 5. Перед подачей в топку черный щелок предварительно подогревается в подогревателе 3 до 110 °С. Нижняя часть топки ошипована и покрыта хромитовой массой. Жидкий щелок подается в специальные форсунки, установленные выше уровня пода примерно на 5 м. Форсунки качающиеся с грубым распылом.

Схема комбинированной установки сжатия и нагрева доменного дутья [5], конвертирования природного газа и выработки пара электроэнергетических параметров представлена на рис. 30.

Из доменной печи газ поступает на сухую газоочистку 2, затем с параметрами t = 200 єC, Р = 0,35 МПа и Q_н = 4,5 МДж/м³ разделяется на два потока. Один поток направляется в установку комбинированного сжатия и нагрева доменного дутья, второй -- в установку для углекислотной конверсии природного газа 3 Конвертированный газ в качестве заменителя части кокса поступает в доменную печь. Доменный газ, предварительно смешавшись в эжекторе 8 с воздухом из компрессора 5, сжигается в каупере 7. Продукты сгорания из кауперов направляются в рекуперативный воздухоподогреватель 6 и далее на газовую турбину 4, являющуюся приводом компрессора доменного дутья и воздуха для горения. Выхлопные газы после газовой турбины направляются в котел-утилизатор 9, а затем через дымовую трубу 10 удаляются в атмосферу.

Рис. 30. Схема комбинированной установки сжатия и нагрева доменного дутья, конвертирования природного газа и выработки пара электроэнергетических параметров: 1 - доменная печь; 2 - сухая газоочистка; 3 - конвертер; 4 - газовая турбина; 5 - воздушный компрессор; 6 - рекуперативный воздухоподогреватель; 7 - регенеративный воздухоподогреватель; 8 - эжектор; 9 - котел-утилизатор; 10 - дымовая труба

Сжатый воздух из компрессора с параметрами Р_к = 0,5 МПа, t_к = 210 єС в распределительном коллекторе разделяется на два потока. Один поток (холодное дутье») G₁ направляется для нагревания в рекуператор, а затем в каупер, второй -- G₂ в качестве воздуха для горения направляется в топку каупера. В результате дожатия в эжекторе доменного газа компрессорным воздухом давление продуктов сгорания под куполом каупера повышается до 0,385 МПа.

4. Расчет тепловой схемы

1. Расчет каупера

На сжигание поступает доменный газ с расходом В. При сжигании образуются продукты сгорания с температурой t₁.

Температура t₁ задается из условия стойкости свода каупера и не должна превышать 1500 С.

, (38)

где теоретический расход воздуха; объем продуктов сгорания в каупере; теплоемкости воздуха и продуктов сгорания; - низшая теплота сгорания доменного газа; температура сжатого воздуха после компрессора; температура доменного газа; предельно допустимая температура продуктов сгорания; искомый избыток воздуха, обеспечивающий допустимую температуру. Объем продуктов сгорания связан с коэффициентом избытка воздуха соотношением . Преобразуя уравнение (38), получим:

. (39)

За счет теплоты продуктов сгорания в каупере осуществляется подогрев воздуха, идущего в доменную печь. При этом расход подогреваемого воздуха составляет G₁. На горение подается воздуха с расходом G₂. Расход воздуха на горение и расход продуктов сгорания связаны с расходом доменного газа соотношениям

G₂=ВV⁰; .

Тепловой баланс подогрева дутья в каупере имеет вид

. (40)

где температуры воздуха до и после каупера. Заданной технологией величиной является расход воздуха, который требуется подогреть в каупере. Температура воздуха на входе в каупер это температура воздуха на выходе из промежуточного рекуперативного воздухоподогревателя.

2. Баланс рекуперативного воздухоподогревателя

Он имеет следующий вид:

, (41)

где температура воздуха после компрессора; температура продуктов сгорания перед газовой турбиной.

3. Баланс ГТУ

Компрессор сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от Р₀ до Р_к. Р₀ = 0,1 МПа; Р_к = 0,5 МПа, т.е. степень сжатия компрессора равна р = 5. Далее воздух в эжекторе смешивается с доменным газом, при этом давление продуктов сгорания возрастает до ~0,385 МПа, продукты сгорания расширяются в турбине от давления 0,385 0,1 МПа. Искомой величиной при расчете газотурбинной установки (ГТУ) является расход доменного газа, необходимый для привода турбины, т.е. мощности турбины должно хватить для привода компрессора.

Рассмотрим цикл ГТУ (рис. 31).

Рис. 31. Цикл ГТУ: 0-К - адиабатное сжатие в компрессоре; К-3 - изобарный подвод теплоты; 3-4 - адиабатное расширение в газовой турбине; 4-0 - изобарное охлаждение продуктов сгорания

Докажем, что отношение T₄/T₀=T₃/T_к:

.

Тогда

,

где T₀/T_к - отношение температур в процессе сжатия в компрессоре. Поскольку воздух это идеальный газ, то из уравнения адиабаты можно заменить

, (45)

где степень сжатия в компрессоре для данной схемы равна = 5; к - показатель адиабаты, для воздуха равен к = 1,4. Подставляя (45) в выражение для КПД получим в окончательном виде

, (46)

где

Расход доменного газа, необходимый для сжатия воздуха с расходами G₁ и G₂ составит:

,

где з_м - механический КПД ГТУ.

Расход воздуха на сжигание доменного газа и расход продуктов сгорания связаны с расходом топлива соотношениями , . Отсюда получаем выражение для расчета расхода доменного газа

. (47)

Температура воздуха после компрессора находится из уравнения адиабаты

 (48)

Перепад температур в газовой турбине также определяется из уравнения адиабаты

. (49)

Электрическая мощность определяется из баланса

. (50)

Энерготехнологическое комбинирование при получении водорода

Основным технологическим звеном энерготехнологической установки получения водорода является печь-реактор [8], где происходит паровая конверсия метана

. (51)

Исходное сырье (природный газ) под давлением прокачивают вместе с паром через подогреватель 7, а оттуда в подогретом состоянии газ поступает в реактор для конвертирования.

Необходимый для конверсии водяной пар требуемых давления и температуры подается из парового котла, работающего на отходящих продуктах сгорания, поступающих из реактора. Вода питательным насосом подается в экономайзер 11, обогреваемый конверторным газом, а оттуда в барабан котла 4. Котловая вода из барабана поступает в испарительную часть котла 6 и в котел-охладитель конвертированного газа 10.

Отсепарированный пар из барабана направляется в пароперегреватель 5, оттуда пар поступает в подогреватель 7, а затем в реактор для участия в процессе конверсии. Воздух для горения вентилятором 9 подается в воздухоподогреватель, а затем в горелки трубчатой печи.

Рис. 32. Энерготехнологическая схема получения водорода:

1 - трубчатая печь; 2 - трубчатые элементы с катализатором; 3 - горелка; 4 - барабан; 5 - пароперегреватель; 6 - испаритель основного котла-утилизатор;7 - подогреватель смеси газа и пара; 8 - воздухоподогреватель; 9 - вентилятор; 10 - газотрубный котел-утилизатор; 11 экономайзер

Отходящие от реактора продукты сгорания с температурой 930 С последовательно проходят газоходы пароперегревателя, испарителя, подогревателя сырья, воздухоподогревателей и дымососом выбрасываются в дымовую трубу. Конвертированный газ на выходе из реактора имеет температуру 830 С и после охлаждения в котлах-охладителях направляется для дальнейшего технологического использования.

Количество пара, вырабатываемого в данной энерготехнологической установке, превышает потребность для целей конверсии. Избыток пара поступает в заводскую сеть для нужд производства.

5. Тепловой расчет схемы

Расход газа на конверсию В₁, расход газа на сжигание В₂, сжигание осуществляется с коэффициентом избытка воздуха = 1,051,2. Расход воздуха на сжигание составляет , расход продуктов сгорания .

1. Тепловой баланс топки

, (52)

где температура воздуха на выходе из воздухоподогревателя; температура газов на выходе из радиационной печи (обычно составляет ~900 С); количество теплоты, отданное теплообменным поверхностям, которое зависит от теплового эффекта реакции и соотношения расходов газов на сжигание и на конверсию.

2. Тепловой баланс пароперегревателя:

. (53)

3. Тепловой баланс испарителя:

, (54)

где D₁ расход пара, вырабатываемый основным котлом-утилизатором.

4. Тепловой баланс подогревателя парогазовой смеси:

, (55)

где количество пара, идущего на конверсию метана, оно находится из стехиометрического соотношения , т.е. ; _п.п - удельный объем перегретого пара, м³/кг; с_см - объемная теплоемкость парогазовой смеси, кДж/(м³К); искомая температура подогретой парогазовой смеси; t₄ и t₃ соответственно температуры после и до подогревателя газа.

5. Тепловой баланс воздухоподогревателя:

, (56)

где 130 С, температура воздуха на входе в воздухоподогреватель.

6. Тепловой баланс трубчатого реактора:

, (57)

где Q_р тепловой эффект реакции конверсии, равный 9,2 МДж/м³, Q_т - теплота, воспринятая трубчатыми элементами в печи (смотри уравнение (52)); G_пр - расход продуктов конверсии, который связан с расходом исходного природного газа соотношением (); t_пр - температура продуктов конверсии за трубчатой печью.

7. Тепловой баланс газотрубного котла-утилизатора:

, (58)

где D₂ - расход пара, вырабатываемый газотрубным котлом-утилизатором, температура продуктов конверсии за котлом-утилизатором.

8. Тепловой баланс экономайзера:

. (59)

Заданной технологией величиной является расход продуктов конверсии, подлежат определению требуемые расходы природного газа пара, а также характерные температуры.

Охлаждение конструктивных элементов высокотемпературных установок

В высокотемпературных установках многие конструктивные элементы находятся в зонах высоких температур, и надежная их работа обеспечивается системами принудительного охлаждения. Различают водяное и испарительное охлаждение.

Рис. 33. Схемы водяного охлаждения конструктивных элементов: 1 - теплообменная поверхность; 2 - насос; 3 циркуляционный насос; 4 - подпиточный насос; 5 градирня

Водяное охлаждение осуществляется либо проточной, либо по оборотной схемам (рис. 32). Температура воды на выходе не должна превышать ~40 С из-за опасности образования накипи. Незначительный нагрев воды (на 10-15 °С) требует очень большого расхода воды. По конструктивным признакам можно выделить два типа охлаждаемых элементов: коробчатые и трубчатые. В полых коробчатых элементах скорость движения потока в несколько раз ниже, чем в подводящих теплоноситель трубах. При охлаждении коробчатых элементов коэффициент теплоотдачи от стенки к воде не зависит от скорости воды и может быть рассчитан по формуле

, (60)

где разность температур стенки охлаждаемого элемента и воды.

При охлаждении водой трубчатых элементов коэффициент теплоотдачи рассчитывается как

. (61)

Для воды 64,8 Вт/(м²К); =3,54; = 988,1 кг/м³; = 676,910^-4 Н/м; = 0,68510^-4 (при Р = 110⁵ Па, t = 50 С). Тогда для трубы 57/3 внутренний диаметр равен и при скорости число Рейнольдса составит , а коэффициент теплоотдачи Вт/(м²К).

Следует отметить следующие недостатки водяного охлаждения:

1. Низкая температура охлаждающей воды исключает возможность использования теплоты, уносимой водой (воду сбрасывают в канализацию либо охлаждают в градирнях).

2. Большие расходы воды, до 500 т/ч на 1 агрегат.

6. Испарительное охлаждение

Сущность испарительного охлаждения (рис. 34) заключается в охлаждении конструктивных элементов печей химически очищенной водой, причем отводимая от конструктивных элементов теплота затрачивается на испарение воды.

Рис. 34. Схема испарительного охлаждения: 1 теплообменная поверхность; 2 циркуляционный насос; 3 - подпиточный насос; 4 - барабан

Охлаждаемые элементы присоединены двумя трубами к барабану-сепаратору, в котором пар отделяется от воды. Возможно применение естественной и принудительной циркуляции воды. Отводимая теплота используется на производство пара в количестве, кг/с,

, (62)

где Q отводимое количество теплоты; iЅ и i_пв энтальпии насыщенного пара и питательной воды, кДж/кг.

Испарительное охлаждение имеет следующие преимущества:

Уменьшение расхода воды.

Использование химводоподготовки и уменьшение накипеобразования обеспечивает более низкое значение температуры охлаждаемых стенок.

Полезно используется теплота, отведенная от агрегата.

Рис. 35. Влияние накипи на эффективность испарительного охлаждения

Тепловосприятие поверхностей: в доменной печи достигают 500 кВт/м², в мартеновской 800 кВт/м², в нагревательных печах до 70 кВт/м². Столь высокие значения тепловых потоков обусловлены интенсивной радиацией высокотемпературного факела, расплавленных масс металла и шлака.

Температура охлаждаемой стенки определяется как

. (63)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде приблизительно равен кВт/(м²К). При отсутствии накипи, толщине стенки м и при коэффициенте теплопроводности стали Вт/(мК) комплекс , а температура стенки при кВт/(м²К) превысит температуру теплоносителя на . При появлении накипи толщиной в 1 мм и при теплопроводности накипи Вт/(мК) превышение температуры стенки над температурой теплоносителя составит уже . Таким образом, слой накипи даже в 1 мм может привести к пережогу труб либо кессонов.

Стойкость подверженной наибольшему тепловому воздействию поверхности кессона можно повысить за счет создания на наружной поверхности кессона гарнисажного слоя. Для этого используют предварительно ошипованные кессоны, с использованием огнеупорной набивки между шипами; теплопроводность такого слоя составляет л = 1-5 Вт/(м²К).

Размещено на Allbest.ru