Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)

190	Глава 5

ход теплоносителя при заданной температуре снабжения будет в том слу- чае, когда профиль охлаждения теплоносителя касается процессного про- филя стока в некоторой точке. На диаграмме рис. 5.22 лимитирующей точ- кой оказался процессный пинч, который находится на температуре 120°С.

Тmin в рассматриваемом случае равна 20°С, поэтому минимально возмож- ная температура возврата теплоносителя будет равна 130°С. Еще раз отме- тим, что по оси ординат при построении БСК откладываются сдвинутые температуры, т. е. все горячие потоки на самом деле горячее на Тmin/2, чем показано на диаграмме (рис. 5.22). Заметим, что процессный пинч не всегда будет являться лимитирующим при уменьшении расхода теплоно- сителя. На рис. 5.23 показан случай, когда лимитирующим оказывается утилитный пинч, возникающий при касании профиля охлаждения тепло- носителя БСК.

5.6. Анализ печей с помощью БСК

Остановимся подробнее на анализе работы печей, которые приме- няются в ХТС, когда необходимо использовать горячие утилиты на высо- ких температурах и/или обеспечить высокие плотности теплового потока.

Конструкции печей могут сильно различаться в зависимости от целей их использования, мощности, типа топлива, способа подвода дутьевого воз- духа. Некоторые печи используются исключительно, как технологические нагреватели, другие же могут быть химическими реакторами, в которых выделяется значительное количество энергии. Однако все печи, исполь- зующиеся как технологические нагреватели в ХТС, имеют много общих особенностей. Прежде всего, это камера сгорания, внутри которой сгорает топливо. Вдоль стенок камеры сгорания расположен теплоприемник – тру- бы с движущимся теплоносителем. Энергия, выделившаяся при горении, передается трубам в камере сгорания в основном излучением. Температу- ры теплоносителя, протекающего в трубах, могут достигать 900°С, рабо- чие давления при температурах 450°С – до 20 МПа. Мощность аппаратов находится в пределах от 3 до 100 МВт, хотя мощность очень больших пре- образователей паров углеводородов может достигать 300 МВт. В этих на- гревателях в качестве топлива используется исключительно нефть или газ.

В большинстве конструкций печей топливный газ после камеры сгорания попадает в конвективную секцию, где отдает свою тепловую энергию теп- лоносителю за счет обтекания пучка труб, в которых течет теплоноситель.

Рассмотрим некоторые общие свойства и конструкционные особенности печей, применяемых в ХТС (рис. 5.24) [8].

На рис. 5.24 а изображена схема типичного технологического нагре- вателя. Он состоит из вертикальной камеры сгорания, стенки которой обычно изготавливают из огнеупорного материала. В камере находятся те- плопоглощающие трубы 2, расположенные вертикально вдоль стен, кото-

Выбор и размещение утилит	191

рые поглощают часть теплоты от факела продуктов сгорания до того, как они попадут на участок конвективного нагрева. В такой конструкции все трубы расположены эквидистантно по отношению к форсункам 3, что га- рантирует равномерное распределение теплопоглощения по периметру, хотя тепловой поток может значительно уменьшаться вдоль труб.

На радиационном участке теплота передается преимущественно из-

1

1	3	1

2

2

2

3

3

Рис. 5.24. Конструкционные особенности печей: (а) – вертикальная цилиндрическая печь с конвективной секцией, обтекаемой поперечным потоком: 1 – конвективная сек- ция; 2 – отражатели; 3 – форсунки; (б) – печь с горизонтальными трубами: 1 – отража- тели; 2 – форсунки; 3 – конвективная секция; (в) – печь с двумя форсунками: 1 – отра- жатели; 2 – стенки рефлектора; 3 – форсунки

лучением, тем не менее, передача теплоты конвекцией может составлять до 10 %. Тепловые потоки на поверхности труб на участке радиационного теплообмена составляют около 50 кВт/м2. Трубы на участке конвективного теплообмена устанавливаются в виде горизонтального пучка 1 над камерой сгорания, который передает теплоту от продуктов сгорания на более низ- кой температуре, чем при передаче теплоты вертикальным трубам на уча- стке радиационного теплообмена. На участке конвективного теплообмена часто используются оребренные трубы или другие виды развитых поверх- ностей. Однако первые один или два ряда труб, которые называются экра- нирующими трубами, также получают существенное количество теплоты излучением. В качестве этих труб не используются трубы с развитыми по- верхностями, поскольку в таких случаях ухудшается теплообмен излуче- нием. Конструкция технологического нагревателя, изображенного на рис. 5.24 а, обеспечивает экономичные и высокоэффективные характеристики установок. Их мощность, как правило, составляет 3 – 60 МВт.

Другой тип конструкции с горизонтальными трубами показан на рис. 5.24 б. Трубы 1 на участке теплообмена излучением устанавливаются го-

192	Глава 5

ризонтально вдоль стен и под наклонной крышей. На участке конвектив- ного теплообмена устанавливаются трубы в виде горизонтального пучка 3

дым

теор

Рис. 5.25. Схематическое изображение печей, применяемых для нагрева теплоносите- лей в ХТС: Ттеор. – теоретическая температура горения; Тдым. – температура отходящих газов; Т0 – температура окружающей среды

над камерой сгорания. Обычно в таких печах форсунки 2 для сжигания то- плива расположены на днище, но иногда их устанавливают на боковых стенках под трубами. Мощность таких нагревателей также изменяется от 3 до 60 МВт.

Третий тип конструкции представляет собой нагреватель с двумя форсунками (рис. 5.24 в). Трубы 1 на участке теплообмена излучением ус- танавливаются в один ряд и обогреваются с обеих сторон. Это позволяет

достичь равномерного распределения тепловых потоков по периметру трубы. В таких конструкциях форсунки 3 также устанавливаются в днище. Но для увеличения теплоотдачи излучением за счет использования вто-

ричного излучения от стенок камеры форсунки могут быть установлены напротив отражающих стен 2. Мощность таких установок находится в пределах от 3 до 15 МВт. Схематически печь можно изобразить так, как показано на рис. 5.25.

На рисунке 5.26 показана большая составная кривая химико- технологического процесса с профилем топливного газа, снабжающего этот процесс энергией. Профиль топливного газа начинается на теоретиче-

Выбор и размещение утилит	193
ской температуре горения топлива Т*теор (сдвинутой на	Тmin по отноше-

нию к БСК) и представляется наклонной линией, т. к. топливный газ отда- ет процессу свою энергию. Теоретическая температура горения – это тем- пература, которая достигается при сжигании топлива в воздухе или кисло- роде без потерь тепловой энергии и без получения энергии от внешних ис- точников, т. е. при адиабатическом горении. Следует заметить, что теоре-

тическая температура горения и реальная температура горения будут заметно отличаться. Реальная температура пламени будет ниже теоретиче- ской потому, что на практике всегда существуют тепловые потери от фа-

									г	а	з
								й
							ы
						н
				и	в
			л
		п
	о
Т

дым

Рис. 5.26. Простая модель печи: Т*теор. – теоретическая температура горения; Т*дым. – температура отходящих газов; Т0* – температура окружающей среды

кела горения, и часть энергии уходит на эндотермические реакции диссо- циации, такие как

194	Глава 5

СО2 → СО + 12 О2, Н2О → Н2 + 12 О2,

Н2О → 12 Н2 + ОН, которые происходят при высоких температурах.

Однако при уменьшении температуры топливного газа реакции дис- социации обращаются с выделением поглощенной ими энергии. Поэтому, хотя значение теоретической температуры горения не дает точной величи- ны температуры пламени, она позволяет достаточно точно оценить энер- гию, которую могут отдать продукты сгорания при охлаждении. Темпера-

турные разности между топливным газом и процессом на горячем конце газового профиля на рис. 5.26 показаны более значительными, чем они обычно бывают на практике. Температурные разности в секции радиаци- онного теплообмена печи не могут быть точно представлены простым гра- фическим методом, и для точного их определения необходимо использо- вание детальных численных моделей теплообмена в этой зоне. Однако да- же с помощью представленной здесь простой модели мы можем достаточ- но точно оценивать альтернативные проекты ХТС с использованием печей, т. к. температурные разности в радиационной зоне печей достаточно вели- ки, что и позволяет достаточно корректно устанавливать целевые значения тепловых нагрузок.

На рис. 5.26 топливный газ охлаждается до температуры пинча перед тем, как выпускается в атмосферу. Разность между энтальпией топливного

газа при температуре пинча и энтальпией топливного газа с температурой окружающей среды равна величине тепловых потерь с уходящими газами

(рис. 5.26).

Таким образом, с помощью рисунка 5.26 для заданной большой со- ставной кривой и рассчитанной теоретической температурой горения топ- лива, мы можем определить количество теплоты, передаваемое топливным газом процессу и количество тепловых потерь с уходящими газами.

Источником кислорода для горения топлива в печах обычно является воздух. Для гарантии полного сгорания топлива в топку подается большее количество воздуха, чем это требуется по стехиометрическим соотноше- ниям. Как правило, подается на 10% больше воздуха для газообразного то- плива, 15 – 20% для жидкого топлива и на 20% или более для распылен- ных твердых топлив. При уменьшении избыточного количества воздуха, теоретическая температура горения топлива будет возрастать, т. к. на на- грев воздуха до температуры горения понадобится меньше энергии. Благо- даря этому уменьшаются потери теплоты с отходящими газами, и увели-

Выбор и размещение утилит	195

чивается тепловая эффективность печи для данной процессной нагрузки (рис. 5.27). Аналогично, если температуру дутьевого воздуха увеличивать (например, с помощью рекуперации теплоты отходящих газов), то и в этом случае теоретическая температура горения увеличивается, и уменьшаются

Рис. 5.27. Увеличение теоретической температуры горения топлива с помощью умень- шения избытка дутьевого газа или его подогрева уменьшает тепловые потери с отхо-

дящими газами

тепловые потери (рис. 5.27).

Увеличение температуры горения топлива приводит к уменьшению его потребления для данной тепловой нагрузки печи, что является положи- тельным фактором с точки зрения энергосбережения. Но при этом также увеличивается образование окислов азота, загрязняющих окружающую среду, и требуется применять специальные методы очистки отходящих га- зов.

В процессах, представленных на рисунках 5.26 и 5.27, топливный газ может быть охлажден до температуры пинча при рекуперации его тепло-

196	Глава 5

вой энергии. Существуют процессы, когда это невозможно. На рисунке 5.28 а показана ситуация, когда отходящие газы отводятся в атмосферу при температуре выше температуры пинча с вполне практической целью. В данном случае процессный пинч имеет температуру ниже температуры, на которой происходит конденсация пара кислоты, находящейся в продуктах горения. Температура эта называется кислотной точкой росы. И для того, чтобы не возникала коррозия в элементах оборудования печи, топливный газ выбрасывается в атмосферу с температурой выше температуры конден- сации кислоты, т. е. в данном случае минимальная температура отходящих газов лимитирована кислотной точкой росы.

На рис. 5.28 б показан случай, когда минимальная температура отхо- дящих газов лимитируется самим процессом в стороне от пинча. Понятно,

что такие ограничения наклона профиля топливного газа ограничивают уменьшение тепловых потерь с отходящими газами.

Т теор

Т теор

Т кисл. т.р.	Т кисл. т.р.
Т пинч	Т пинч
Т 0	Т 0
(а)	(б)

Рис. 5.28. Температура отходящих газов может быть лимитирована не только темпера- турой пинча:

(а) – лимитирующей является кислотная точка росы; (б) – лимитирующим является процесс вдали от пинча

Давайте снова вернемся к процессу, изображенному на рис. 2.15. Го- рячая утилита, использующаяся в данном процессе, снабжается энергией с помощью печи, в которой сжигается топливо с теоретической температу- рой горения равной 1800°С, кислотная точка росы равна 160°С. Предпо- ложим, что температура окружающей среды равна 10°С, а Тmin = 10°С для теплообмена между технологическими потоками и Тmin = 30°С для тепло- обмена между топливным газом и процессом. Последняя величина выбра-

на достаточно большой вследствие низких коэффициентов теплоотдачи на конвективном участке печи. Требуется определить количество необходи- мого топлива, потери с отходящими газами и к.п.д. печи.

Выбор и размещение утилит	197

Первая проблема, с которой мы сталкиваемся при решении постав- ленной задачи – это различия в значении Тmin для различных размещений теплообменников, но она просто решается с помощью алгоритма таблич- ной задачи. Это достигается определением соответствующего сдвига пото- ков при построении теплового каскада или БСК. Для технологических по- токов сдвиг температурных интервалов будет равен 5°С, а для топливного газа он будет равен 25°С, тогда на рекуперативных теплообменниках Тmin равно 5 + 5 = 10°С, а на теплообменных аппаратах процесс – топливный газ Тmin равно 5 + 25 = 30°С.

T

1750

1700

Топливный газ

300

250

200

150

100

50

0

5

10

15 H, МВт

Рис. 5.29. Профиль топливного газа и большая составная кривая для процесса изобра- женного на рис.2.11

На рисунке 5.29 показана большая составная кривая, построенная с помощью каскада тепловых потоков, представленном на рис. 2.22. Про- филь топливного газа начинается на реальной температуре, равной 1800°С, которая соответствует сдвинутой температуре (1800 – 25) = 1775°С на диа- грамме большой составной кривой. Наклон профиля топливного газа ни- чем не ограничен выше пинча, поэтому газ может быть охлажден до тем- пературы пинча, значение которой на сдвинутой оси температур равно 145°С, а только после этого отведен в атмосферу.

Таким образом, реальная температура отходящих газов составляет 145 + 25 = 170°С, т. е. выше кислотной точки росы 160°С. Вычислим по- требления топлива. Ранее мы определили, что QHmin = 7,5 МВт.

	СР		=		7,5	= 0,0046	МВт .
		топл.газ		1775 −170
							oC

198	Глава 5

Понятно, что потребление топлива равно изменению теплосодержа-

ния топливного газа при его охлаждении от теоретической температуры горения до температуры окружающей среды:

Потребление топлива = 0,0046 × (1800 – 10) = 8,23 МВт,

Потери с уходящими газами = 0,0046 × (170 –10) = 0,74 МВт,

K.П.Д. =	QHmin	×100	=	7,5	×100	= 0,911.
	потребленное топливо			8,23

Давайте в качестве примера рассмотрим два различных проекта с использованием печей для одного и того же процесса (рис. 5.30). Печь в каждом из проектов имеет тепловую нагрузку 300 единиц мощности, соот- ветствующую целевым значениям горячих утилит для данного процесса. Однако температуры технологических потоков, нагреваемых в печи, раз- личны, вследствие чего и различны температуры отходящих газов в каж-

дом из аппаратов и различно необходимое количество теплоты для работы печей (рис. 5.30), а значит и различна эффективность печей.

1000°					150°		1000°		150°
1							1
2 540°					150°		2 540°		150°
500° H			300°	3			500°	300° 3
500°	300	35 115			100°		500°335 115		100°
						4	H			4
					560		300		260
					100°	5		275	100°	5
					275
				T	1			T	1
						2				2
					417°			338°
	T	дым	= 417°		300			Tдым= 336°
							286		300
367
	Q=300					H		Q=300		H
					Топливо=100%				Топливо=89%
			(а)					(б)

Рис. 5.30. Два возможных варианта интеграции нагревательной печи в процесс: (а) – существующая интеграция, в которой температура нагреваемого потока на входе в печь равна 367°С, на выходе - 500°С; температура отходящих газов равна 417°С, количество потребляемого топлива принимается за 100%. (б) – альтернативный вариант интегра- ции, в котором температура нагреваемого потока на входе в печь равна 286°С, на выхо- де - 500°С; температура отходящих газов равна 336°С; потребление топлива – 89%.

1 – изменение энтальпии топливного газа; 2 – нагреваемого потока

Выбор и размещение утилит	199

T

СР

Тгор.т.

	n
i
m

Тк
300
Топливо = 81%	H

Рис. 5.31. Большая составная кривая процесса и профиль топливного газа: Ттеор – теоре- тическая температура горения топлива, Тк – температура кислотной точки росы

1500°	Топливный газ	160° 150°
ТГ		СР = СРmin
1
2

3

4

5 100°

Рис. 5.32. Балансная сеточная диаграмма потоков

Если построить большую составную кривую данного процесса и от- ложить на ее диаграмме профиль топливного газа, мы увидим, что лими- тирующей температурой при определении минимальной потоковой тепло-