НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Утилизация тепла дымовых газов

В трубчатых печах, которые не оснащены камерой конвекции, или когда печь радиантно-конвекционного типа, но имеет достаточно высокую начальную температуру подогореваемого потока, температура отводимых продуктов сжигания топлива может иметь достаточно высокие значения, что является причиной повышенных потерь тепла, снижения КПД печи и перерасходу топлива.

В подобных печах требуется применять тепло отводимых топочных газов. Это возможно либо при использовании подогревателя воздуха для предварительного нагрева воздуха подаваемого на горелочные устройства для горения топлива, либо внедрением в схему котлов-утилизаторов, которые позволяют вырабатывать водяной пар для собственных нужд отдельного производства или предприятия в-целом.

Принципиальная схема подогрева воздуха отходящими дымовыми газами в составе трубчатой печи приведена на рисунке справа. Нагрев воздуха повышает температуру в топочном пространстве, делая более эффективным горение топлива и передачу тепла излучением. Однако для реализации воздухоподогрева нужны дополнительные расходы на монтаж и обвязку воздухоподогревателя, нагнетателя воздуха, а также дополнительное потребление электрической энергии, расходуемой электродвигателем воздуходувки. Для реализации нормального функционирования воздухоподогревателя необходимо исключить возможность корродирования его поверхности на стороне потока продуктов сжигания топлива. Подобное возможно, при температуре поверхности теплообмена более низкой, чем температура точки росы; при этом доля топочных газов, напрямую контактируя с поверхностью подогревателя воздуха, подвергается сильному охлаждению, а имеющиеся в них пары воды частично подвергаются конденсации и, абсорбируя из дымовых газов диоксид серы, формируют слабо-агрессивную кислоту. Точкой росы является температура, при которой величина давления насыщенных паров воды равняется парциальному давлению паров воды, имеющихся в топочных газах. Температура точки росы определяется содержанием паров воды и её стандартное значение 50 - 55 °С. Одним из самых надежных методов зашиты от коррозии считается предварительный воздухоподгрев доступным способом (например, в паровых или водяных рекуператорах) до температуры превышающей точку росы. Подобная коррозия может происходить и на поверхности труб в конвекционной камере, при температуре потока, который поступает в печь, менее точки росы. Рассмотрим алгоритм расчета подогревателя воздуха, который обычно начинается с вычисления температуры нагрева воздуха в рекуператоре.

Схема трубчатой печи с подогревом воздуха

Искомая температура определяется по формуле теплового баланса подогревателя воздуха. При использовании обозначений представленных на схеме (см. рисунок) тепловой баланс (из расчёта на 1000 г топлива) может быть выражен следующим соотношением:

Записанное уравнение сформулировано на основании предпосылки, что 100% воздуха, который требуется для горения, поступает через подогреватель воздуха. Если через подогреватель воздух прокачивается только частично, то в формуле выше принимает участие только тот объём воздуха, который фактически проходит через агрегат.

Температура топочных газов на выходе из конвекционной камеры t_ш определеяется, исходя из следующих соображений: температура топочных газов, которые покидают конвекционную камеру, должна превышать начальную температуру сырьевого потока t₁ и обеспечивать требуемый температурный напор. Рекомендованное значение перепада температур t_ш - t₁ - от 100 до 150 °C.

Определив значение температуры t_ш, осуществляется выбор температуры топочных газов, котоыре попадают в дымовую трубу, t_ух.

После чего, в формуле теплового баланса неопределенной остается величина t_в - окончательная температура нагрева воздуха, которая из этого уравнения и вычисляется.

Далее рассчитывается коэффициент полезного действия трубчатой печи с использованием соотношения:

где крайний член представляет собой относительные теплопотери в подогревателе воздуха.

Дальнейший расчет печи выполняется обычным способом. Следует отметить, что из-за подогрева воздуха приведенное значение температуры исходной системы T₀ имеет более высокое значение, чем аналогичная величина для печей, которые подогрева воздуха не имеют.

При формировании теплового баланса радиантной камеры требуется также принимать к учёту количество тепла, которое вносится воздухом. В таком случае формула запишется как:

Поверхность подогревателя воздуха вычисляется по уравнению:

На рисунке слева показан сценарий, когда большая температурная разница находится на стороне входа потока топочных газов в подогреватель воздуха.

В подобном случае без большой погрешности допустимо принимать среднеарифметическое значение Δt_ср, так как Δt_б/Δt_м < 2.

Игнорируя малое сопротивление потоку тепла через стенки подогревателя воздуха, рассчитывается коэффициент теплопередачи по формуле:

В качестве подогревателя воздуха применяется типовое оборудование, используемое в котельном хозяйстве.

Чтобы использовать тепло топочных газов распространено применение котлов-утилизаторов; для чего также применяется типовое унифицированное оборудование, которое обеспечивает выработку перегретого водяного пара с требуемыми характеристиками.

Используя принятые выше обозначения, из теплового баланса потока продуктов сжигания топлива определяют объём тепла, возможное к использованию для генерации водяного пара:

Объём водяного пара, которое потенциально может быть сгенерировано в котле-утилизаторе определится по формуле: