Расчет и экономическое обоснования процесса рекуперации тепла при очистке запыленных газов

Мокрые пылеуловители ШВ можно использовать в качестве рекуператоров тепла отходящих промышленных газов с большим содержанием механических примесей.

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

 Руководство завода поставило задачу вернуть в технологический процесс 60 тыс. м³/час очищенного воздуха с заданной температурой. Специалисты ООО «Приволжский завод газоочистного оборудования» предложили решение.

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

Исходные данные:

Количество запыленного воздуха на линии «А» — 60 тыс. м³/час — L_r =6∙10⁴ м³/час;

Температура запыленного воздуха на линии (на входе в мокрый пылеуловитель ШВ) — 120 — 175 ⁰С (для расчёта баланса взята температура 150 ⁰С) —  ⁰С;

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

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

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

Состав газа (% по объему):

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):

Массовые концентрации:

Из [2] выписываем значения энтальпии газов при температуре :

Тогда энтальпия газовой смеси


Аналогичным образом получается энтальпия газов при температуре tвых:



Энтальпия воды на входе в установку (при теплоемкости с_В 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 мокрый пылеуловитель

и значения тепловой мощности:

— подводимой отходящим промышленным газом к мокрому пылеуловителю



— отводимой отходящим промышленным газом



— подводимой водой к пылеуловителю



— отводимой паром

Составим уравнение теплового баланса в виде

Откуда величина потерь



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



Чрезмерно большое значение теплопотерь связано с тем, что изначально перед пылеуловителем [3] ставилась задача путем подбора конструкции циркулирующей ёмкости, режимов циркуляции охлаждающей воды внутри снизить температуру выходящего из пылеуловителя воздуха, а также 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 мокрого пылеуловителя 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 ШВ с КПД = 0,9, а этого 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 газоочистки отходящих промышленных газов и их рекуперации мы имеем:

• экономия 338 м³ газообразного топлива в час с газоочисткой 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 газоочистке 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.

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