Тепловой расчет схемы

Расход газа на конверсию В₁, расход газа на сжигание В₂, сжигание осуществляется с коэффициентом избытка воздуха a = 1,05-1,2. Расход воздуха на сжигание составляет , расход продуктов сгорания .

1. Тепловой баланс топки

, (3.19)

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:

. (3.20)

3. Тепловой баланс испарителя:

, (3.21)

где D₁ - расход пара, вырабатываемый основным котлом-утилизатором.

4. Тепловой баланс подогревателя парогазовой смеси:

, (3.22)

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

5. Тепловой баланс воздухоподогревателя:

, (3.23)

где @ 130 °С, - температура воздуха на входе в воздухоподогреватель.

6. Тепловой баланс трубчатого реактора:

, (3.24)

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:

, (3.25)

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

8. Тепловой баланс экономайзера:

. (3.26)

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

3.5. Химическая регенерация теплоты высокотемпературных

отходящих газов

Одним из способов регенерации высокотемпературных тепловых отходов промышленных топливных печей является термохимическая переработка углеводородных газов.

Из процессов термохимической переработки углеводородных газов, применяемых в промышленности, наибольшее распространение получила паровая конверсия природного газа (метана):

кДж/моль (3.27)

В результате протекания реакции водяного газа (11.61) устанавливается равновесие между H₂, CO, CO₂, и H₂O, если время протекания реакции достаточно для установления равновнсия.

кДж/моль (3.28)

Один из вариантов реализации термохимической регенерации схематически показан на рис. 3.7 [14]. Система состоит из реактора паровой конверсии (РПК), подогревателя парогазовой смеси (ППГС) и испарителя (И). Высокотемпературные отходящие газы поступают на вход реактора паровой конверсии, откуда далее направляются в подогреватель парогазовой смеси и испаритель. В реактор паровой конверсии (РПК) поступает предварительно подогретая смесь природного газа и водяного пара (ПГС). В реакторе природный газ (Т) превращается в конвертированный газ (КГ), направляемый на отопление стекловаренной установки.

Более совершенной схемой (рис. 3.8), позволяющей значительно сократить потери теплоты, является схема с термохимической и воздушной регенерацией теплоты газовых отходов [14]. Высокотемпературные отходящие газы разделяются на два потока, чтобы обеспечить достаточный уровень температур, как для паровой конверсии, так и для подогрева воздуха. В реактор паровой конверсии (РПК) поступает предварительно подогретая смесь природного газа и водяного пара. Водяной пар образуется в испарителе (И) и далее смешивается с природным газом. Образовавшаяся парогазовая смесь (ПГС) подогревается до температуры 400 ^ОС в подогревателе парогазовой смеси (ППГС).

Рис. 3.7. Схема системы термохимической регенерации:
РПК – реактор паровой конверсии; ППГС – подогреватель парогазовой смеси;

И – испаритель; ОГ – отходящие газы стекловаренной установки; УГ – уходящие газы;

Т – топливо (природный газ); ПГС – парогазовая смесь; КГ – конвертированный газ

 

В реакторе природный газ превращается в конвертированный газ, направляемый на отопление плавильной установки. Второй поток отходящих газов направляется на подогрев воздуха, подаваемого в печь.

Применение термохимической регенерации теплоты газовых отходов позволяет снизить потребление первичного топлива, требуемого для работы промышленной печи.

Рис. 3.8. Схема с термохимической регенерации и рекуперативным подогревом воздуха:

П – печь; ВП₁, ВП₂ – воздухоподогреватели первой и второй ступени; ХВ – холодный воздух; ГВ – горячий воздух; ИМ – исходный материал; ТП – технологический продукт; остальное - как на рис 11.30

 

Сравним приходные части тепловых балансов для трех схем: 1) с термической регенерацией, когда отходящие газы подогревают воздух, подаваемый на горение; 2) с термохимической (рис. 3.7); и 3) с комплексной регенерацией тепловых отходов (рис. 3.8).

В первой схеме в стекловаренную печь поступает теплота сгорания природного газа и физическая теплота воздуха, подогретого отходящими продуктами сгорания. Расход топлива на печь B₁ при известной тепловой мощности печи Q_п

, (3.29)

где η – КПД печи, рассчитанный по обратному тепловому балансу.

При полном протекании реакции (11.61) из 1 м³ метана (имевшего теплоту сгорания = 35,8 МДж/м³) образуется 1 м³ оксида углерода и 3 м³ водорода.

Теплота сгорания данной смеси, отнесенная на 1 м³ исходного метана, составит . Таким образом, теплота полученного конвертированного газа отличается от теплоты сгорания метана на величину теплового эффекта Q_э реакции (3.27) МДж/м³.

Заметную долю приходной части теплового баланса печи в этом случае составляет и физическая теплота подогретого конвертированного газа, которая на 1 м³ исходного метана составляет:

. (3.30)

Таким образом, при использовании только химической регенерации располагаемая теплота Q_р продуктов паровой конверсии составит:

. (3.31)

При этом расход природного газа при известных КПД и тепловой нагрузке печи Q_п,, определится из выражения

. (3.32)

При комплексной регенерации тепловых отходов (см. рис. 3.8) расход природного газа может быть рассчитан из выражения

. (3.33)

Абсолютное поступление теплоты с подогретым воздухом в данном случае снижается, поскольку для сжигания меньшего количества топлива требуется меньше окислителя. Рассчитаем требуемое количество теплоты для обеспечения реакции конверсии метана:

, (3.34)

где = 3,34 - объемная теплоемкость метана, кДж/(м³×К); = 4360 кДж/кг - энтальпия перегретого пара при температуре 800 °С; r_п = 0,8 кг/м³ – плотность паров воды в н. у. При тепловом эффекте реакции, равном 9,2 МДж/м³, требуемое количество теплоты на осуществление паровой конверсии 1 м³ метана составляет 15,3 МДж/м³. При температуре газов на выходе из печи около 1500°С и коэффициенте избытка воздуха a » 1,1 энтальпия продуктов сгорания составляет I_г » 27,8 МДж/м³. Этой теплоты вполне достаточно для подогрева воздуха до 400°С (5,6 МДж/м³), подаваемого на сжигание 1 м³ природного газа и проведения паровой конверсии метана Q_к=15,4 МДж/м³ (также на 1 м³ топлива).

В расходной части теплового баланса стекловаренной печи теплота, покидающая установку с уходящими газами, является наиболее значительной составляющей. Она уменьшается при использовании подогрева воздуха и термохимической регенерации (ТХР) за счет значительного снижения температуры уходящих газов топлива. Рассмотренные схемы с регенерацией тепловых отходов и рекуперативного подогрева воздуха для стекловаренной установки [14, 15] позволяют снизить расход топлива на 50% по сравнению со схемой без утилизации теплоты уходящих газов.

Реактор паровой конверсии, содержащий 60 реакционных элементов, установлен в газоходе стекловаренной установки с внутренним диаметром 2200 мм и высотой 3000 мм. Реакционные элементы выполнены по типу трубок Фильда (рис. 3.9). На внутреннюю трубу диаметром 25х2 надеты цилиндрические вставки из катализатора. Кольцевидный блочный катализатор представляет собой полые цилиндры с размерами Dxdхh = 39х26х85. Наружная труба реакционного элемента имеет диаметр53х3. Кольцевой зазор между каталитической вставкой и внешней трубой имеет толщину = 4 мм. Реакционные трубы расположены равномерно по осевой окружности диаметром 950 мм с шагом 102 мм.

Рис. 3.9. Реакционный элемент c двойной циркуляцией нагреваемой среды:

1 - исходная парогазовая смесь, 2 – конвертированный газ, 3 – катализатор, 4 – наружная стенка реакционного элемента, 5 – внутренняя стенка реакционного элемента,

6 – внутренний канал, 7 – кольцевой зазор

 

Парогазовая смесь 1 по внутренней трубе 5 опускается вниз, меняет направление движения в нижней части реакционного элемента и далее по кольцевому зазору 7 между каталитической вставкой 3 и внешней трубой 4 движется вверх, при этом происходит эндотермическая реакция каталитической паровой конверсии газового топлива.

Изменение состава реагирующей смеси по длине реакционного элемента представлено на рис. 3.10. Пар в данном случае подается в избытке по отношении к метану 1,5:1, в продуктах конверсии содержится и метан и СО₂, т.е. реакция не успевает достигнуть равновесия. Таким образом, приведенные соотношения носят приближенный характер. В рассматриваемом случае теплота сгорания конвертированного газа должна рассчитываться с учетом содержания в продуктах конверсии водяных паров и диоксида углерода, правда, и теплоты на протекание реакции конверсии будет затрачено меньше.

Рис. 3.10. Изменение состава реагирующей газовой смеси по длине реакционного элемента