Расчет процесса рекуперации тепла

Аппараты ШВ можно использовать в качестве рекуператоров тепла отходящих промышленных газов с большим содержанием механических примесей и вредного газового фактора.

В качестве математической модели ниже приведены расчеты на основании реальных параметров одного из кирпичных производств Ярославской области.

 

Руководством завода была поставлена задача вернуть в технологический процесс 60 тыс. м3/час очищенного газа с заданной температурой. Специалистами ООО «НПО» Центр ШВ" было предложено следующее:

Теплотехнический баланс и энергетический потенциал (рассчитан и составлен совместно с сотрудниками кафедры «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова») аппаратов ШВ (по инициалам разработчика и патентообладателя, д.т.н. Шаймарданова Вазиха Харисовича) выглядит следующим образом.

Исходные данные:

Количество отходящих промышленных газов на линии «А» — 60 тыс. м3/час — Lr =6∙104м3/час;

Температура отходящих промышленных газов (на входе в аппарат ШВ) — 120 — 175 0С (для расчёта баланса взята температура 150 0С) — 0С;

Количество и температура воды, идущей на подпитку процесса пылегазоочистки — 1,5 м3/час ( LB=1,5 м3/час) и 5 0С ( 0С) соответственно.

Температура отходящих промышленных газов после аппаратов ШВ ~ 50 0С (данные результатов лабораторных замеров количественного и качественного состава отходящих промышленных газов на выходе из аппаратов ШВ в процессе эксплуатации (зависит от установленной интенсивности орошения отходящих промышленных газов внутри аппарата и температуры орошающей воды).

В качестве исходных для подсчёта теплотворной способности газа был взят газ Вуктылского месторождение (Республика Коми) природного газа.

Состав газа (% по объему):

— метан — этан
— пропан — бутан
— пентан — азот

 

Решение:

Используя заданные объемные концентрации горючего газа можно определить стехиометрические объемы продуктов сгорания:

— суммарный объем продуктов реакции


где - объем продуктов для отдельной k-ой составляющей исходной газовой смеси [1], в том числе:

— объем углекислого газа


— объем азота


— объем водяных паров

 

Отсюда объемные концентрации продуктов сгорания (в долях от единицы):

— углекислого газа
— азота
— водяных паров

 

 

Массовые концентрации:

— углекислого газа
— азота
— водяных паров


Из [2] выписываем значения энтальпии газов при температуре :

— для углекислого газа
— для азота
— для водяных паров

Тогда энтальпия газовой смеси


Аналогичным образом получается энтальпия газов при температуре tвых:



Энтальпия воды на входе в установку (при теплоемкости сВ кДж/(кг∙0С))

Для определения энтальпии пара на выходе из аппарата из [2] выписываем значения:

— энтальпии нагретой до кипения воды i=209,3 кДж/кг;

— теплоты фазового перехода r=2383,3 кДж/кг.

Кроме того, пользуясь i-s-диаграммой водяного пара, определяем величину степени сухости x=0,96. Отсюда энтальпия пара



Далее из [1] выписываем значения газовой постоянной для отдельных компонентов:

RCO2= 185,26 Дж/(кг∙0С); RN2= 296,65 Дж/(кг∙0С); RH2O = 452,57 Дж/(кг∙0С). Находим газовую постоянную для смеси



Из уравнения состояния находим плотность газа



Тогда массовый расход газа через аппарат ШВ



и значения тепловой мощности:

— подводимой отходящим промышленным газом к аппарату ШВ



— отводимой отходящим промышленным газом от аппарата ШВ



— подводимой водой к аппарату ШВ



— отводимой паром от аппарата ШВ

Составим уравнение теплового баланса в виде

Откуда величина потерь



а значение КПД брутто аппарата ШВ (с учетом полезно используемой тепловой мощности )



Чрезмерно большое значение теплопотерь связано с тем, что изначально перед аппаратами ШВ [3] ставилась задача путем подбора конструкции циркулирующей ёмкости, режимов циркуляции охлаждающей воды внутри аппарата снизить температуру выходящих из аппарата ШВ отходящих промышленных газов, а так же c отсутствием какой либо теплоизоляции. Кроме того температура циркулирующей воды на момент лабораторных замеров, как правило, не была стабилизирована (по окончании рабочей смены технологические процессы останавливались и вода успевала охладиться). Расчеты показывают, что в отсутствии теплопотерь от аппарата ШВ и аккумулирующей емкости для воды температура очищенных отходящих промышленных газов будет составлять 115÷120 0С.

Кроме того, в циркуляционной ёмкости мы будем иметь 20 м3 горячей воды с температурой выше 80 0С, где, установив теплообменник, можно будет организовать дополнительный съём тепла.

 

Примечание:

при проведении расчётов использовались следующие технические литературные источники:

1. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. «Справочник по газоснабжению и использованию газа». — Л.: Недра, 1990г.;

2. Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». М.: Высшая школа, 1974г.;

3. Шаймарданов В.Х. «Процессы и аппараты технологий сбора и подготовки нефти и газа на промыслах», под редакцией. В.И. Кудинова — УдГУ, Ижевск, 2009г.

 

Экономическая часть теплотехнического баланса и оценки энергетического потенциала аппаратов ШВ.

При полной рекуперации отходящих промышленных газов с температурой 115 — 120 0С от аппаратов ШВ с КПД ηπ = 0,9, а это можно легко добиться путём их теплоизоляции, экономия газообразного топлива, сходного по теплотворной способности с газом Вуктылского месторождения с низшей теплотой сгорания кДж/м3 составит

Таким образом, для расчёта экономического эффекта от пылегазоочистки отходящих промышленных газов и их рекуперации мы имеем:

— экономия 338 м3 газообразного топлива в час с пылегазоочисткой и рекуперацией 60 тыс. м3 /час отходящих промышленных газов в час с температурой 115 — 120 0С;

— работа линии «А» 24 часа в течение 365 дней в году;

— стоимость газообразного топлива для промышленных предприятий Ярославской области 3500 рублей (без НДС) за 1000 м3 (цена дана на 01.01.2013г.).

При перемножении имеющихся данных получаем экономический эффект от экономии на пылегазоочистке и рекуперации отходящих промышленных газов более 10 млн. рублей (без НДС).

 

Примечание:

при расчётах были учтены самые усреднённые экономические показатели только по газообразному топливу. В расчёты не попали затраты на подпитку свежей водой взамен испарившихся 1,5 м3/час воды при цене 5 рублей (без НДС) за м3; порядка 20 м3 горячей воды, откуда потребуется съем тепла; энергозатраты на вентиляционное и насосное оборудование и т.д.

 

В качестве инженерного решения предлагается параллельно установить два аппарата ШВ-30 общей производительностью по очищаемому отходящему промышленному газу 60 тыс. м3/час. Габаритные размеры одного аппарата: 9700 мм — h собственно аппарата + 2000 мм h cиловой рамы. Высота указана без учёта газового коллектора, объединяющего потоки очищенного отходящего промышленного газа на выходе из аппаратов ШВ (ориентировочно 2500 мм). Площадь d проекции аппарата составляет 4000 мм. Площадь, необходимая под размещение 2-х аппаратов ШВ, 2-х циркуляционных ёмкостей с учётом технологических проходов составит ~ 80 м2.

На выходе из аппаратов получим очищенный отходящий промышленный газ с температурой 115 0С, очищенный до степени 99,9 %, которую можно будет направить на технологические (бытовые) нужды заказчика.

Во избежание теплопотерь аппараты и циркуляционные ёмкости должны быть заизолированы. Коэффициент теплопотерь современных теплоизоляционных материалов составляет менее 0,1 %.

Яндекс.Метрика