Обоснование оптимальных параметров технологического процесса
Министе[SDV1] рство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет Кафедра Химические технологии ЗАДАНИЕ к курсовой работе по ОХТ студента(ки) Биктагирова Ильдара Рафаилевича____________ Тема курсовой работы Сжигание твердого топлива в энергетических котлах ______ Содержание пояснительной записки Введение. Сжатое изложение существа работы. 1. Выбор и обоснование источников сырья, энергоресурсов, географической точки строительства 2. Выбор и обоснование способа производства. 3. Обоснование оптимальных параметров технологического процесса. 4. Синтез и анализ ХТС (химическая, структурная, операторная и технологическая схемы) 5. Выбор и обоснование конструкции основного аппарата. 6. Расчет материального и энергетического балансов. Определение расходных норм по сырью и энергии. Пути использования вторичных энергоресурсов. 7. Экологическая оценка производства, отходы производства, их утилизация, ПДК. Заключение и выводы. Графическая часть должна содержать: 1. Технологическую схему производства 2. Эскиз основного аппарата Дополнительное задание_____________________________________________________________ Руководитель курсовой работы Саулин Дмитрий Владимирович____________________ Срок защиты курсовой работы___________________________________________________ Заведующий кафедрой ХТ, д.т.н., профессор В.З. Пойлов
|
|
|
Содержание
1. Введение……………………………………………………………………3
2. Выбор и обоснование сырья, энергоресурсов, географической точки строительства………………………………………………………………5
3. Выбор и обоснование способа производства…………………………….7
4. Обоснование оптимальных параметров технологического процесса.....9
5. Синтез и анализ ХТС (химическая, структурная, операторная, технологическая схемы)…………………………………………………..14
6. Выбор и обоснование конструкции основного аппарата……………….21
7. Расчет материального и энергетического балансов. Пути использования вторичных энергоресурсов……………………………………………….24
8. Экологическая оценка производства, отходы производства, их утилизация, ПДК…………………………………..………………………28
9. Заключение…………………………………...……………………………30
10. Список литературы………………………………………………………..31
Введение
Примерно 85 % электрической энергии в нашей стране производится на тепловых электрических станциях, на которых электрическая энергия вырабатывается с использованием химической энергии сжигаемого органического топлива.
|
|
|
Основными тепловыми агрегатами тепловой электрической станции являются энергетический паровой котел и паровая турбина. Паровой котел – это устройство для выработки пара с давлением выше атмосферного за счет сжигания топлива. Энергетические паровые котлы отличают: высокая единичная паропроизводительность, повышенные параметры пара, высокие требования к надежности и экономичности в процессе проектирования и изготовления на заводе и, наконец, высокие требования к культуре эксплуатации на электростанциях.
Последовательность получения и использования пара и преобразования одних видов энергии в другие можно проследить на примере электрической станции, работающей на твердом топливе (рис. 1).
В паровом котле происходит нагрев воды, её кипение и последующий перегрев образовавшегося пара (в пароперегревателе). Продукты сгорания топлива – дымовые газы – дымососами подаются в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере.
Выходящий из котла пар направляется по паропроводам в паровую турбину и приводят в движение её вращающуюся часть, называемую ротором. Вместе с ротором турбины вращается непосредственно соединенный с ним ротор турбогенеретора. В турбогенераторе вырабатывается основная продукция электростанции – электрическая энергия.
|
|
|
1. Выбор и обоснование источников сырья, энергоресурсов, географической точки строительства
[SDV2]
Сырье:
1. Топливо: уголь марки «Д», рядовой (ДР)[SDV3]
Д - Длиннопламенный.
ДР - Длиннопламенный рядовой.
Длиннопламенные угли не спекаются и относятся к энергетическим углям. Направления использования этих углей - энергетическое и коммунально-бытовое топливо, поэтому их наиболее существенной характеристикой является теплота сгорания.
2. Воздух: атмосферный воздух
3. Вода: воду предварительно нужно обработать
Обработка воды для паровых котлов включает в себя следующие основные этапы:
– удаление взвешенных частиц;
– удаление железа;
– умягчение, предотвращение накипеобразования;
– предотвращение коррозии (удаление кислорода и углекислого газа из питающей воды с помощью деаэраторов различных конструкций) Применение деаэратора позволяет существенно снизить содержание свободного кислорода (до 0,02 мг/кг), остальное же количество должно связываться химическим способом).
|
|
|
Энергоресурсы:
При эксплуатации парового котла необходима электрическая энергия для работы технологического оборудования (ленточный транспортер, дутьевой вентилятор и т.д.) и бытовых нужд (освещение)
Выбор географической точки строительства:
Для обоснования географической точки строительства необходимо наличие следующих факторов:
1) Близость источников сырья
2) Наличие квалифицированных кадров;
3) Благоприятные климатические условия
4) Наличие водных ресурсов
5) Наличие энергетических ресурсов
6) Наличие транспортных путей
7) Наличие потребителей
[SDV4]
2. Выбор и обоснование способа производства[SDV5]
(Мейкляр М.В., Паровые котлы электростанций, 1974, стр. 51-53)[SDV6]
Во всех паровых котлах тепло, выделяющееся при сжигании топлива, передается от продуктов его сгорания (топочных и дымовых газов) воде и пару. Передача тепла осуществляется через поверхности нагрева, которые у современных котлов представляют собой однорядные трубные панели (на стенах топки и газоходов либо внутри газового потока в виде так называемых ширм), или трубные пакеты, в которых дымовые газы проходят между расположенными в несколько рядов трубами. Вода и пар движутся внутри труб.
Концы труб поверхностей нагрева включены в сборные камеры (коллекторы), которые обычно представляют собой заглушенные по концам отрезки толстостенных труб внутренним диаметром 200-350 мм. Зарубежные котлостроительные заводы применяют и прямоугольные коллекторы.
По характеру движения воды все котлы можно разделить на три группы: 1) котлы с естественной циркуляцией воды 2) котлы с принудительной циркуляцией воды 3) прямоточные (безбарабанные).
В котлах с естественной циркуляцией вода из барабана опускается по необогреваемым (опускным) трубам в нижние сборные коллекторы и затем вместе с образующимся паром поднимается самотеком по обогреваемым трубам опять в барабан. (рис. 4-1, а). В барабане вода отделяется от пара и снова направляется в водоопускные трубы. Такое движение обусловлено различием между весом столба воды в опускных трубах и весом столба пароводяной смеси в обогреваемых трубных панелях.
Таким образом, у котлов с естественной циркуляцией вода самотеком многократно проходит через трубы.
Котлы в которых круговое движение воды по трубам (циркуляция воды) совершается посредством специального насоса (рис. 4-1, б) называются котлами с принудительной циркуляцией.
Основными поверхностями нагрева котлов с естественной и принудительной циркуляцией являются: экономайзер, в котором питательная вода нагревается до поступления в барабан, испарительные трубы и пароперегреватель. Кроме того, у всех современных котлоагрегатов имеется воздухоподогреватель, в котором нагревается необходимый для горения воздух.
У всех таких котлов одним из основных элементов является барабан – горизонтальный стальной цилиндр, имеющий у современных котельных агрегатов высокого давления внутренний диаметр свыше 1,5 м при толщине стенок 85-115 мм. Котлы с естественной и принудительной циркуляцией воды часто называют барабанными.
Обоснование оптимальных параметров технологического процесса
Термодинамический анализ:
Процесс горения характеризуется быстрым протеканием реакций окисления горючих элементов топлива кислородом воздуха, при котором имеет место значительное тепловыделение и создается высокий уровень температуры. Преимущественное тепловыделение при горении топлив определяется содержанием в топливе углерода. Горение углерода в основном характеризуется протеканием трех химических реакций:
- полное окисление углерода кислородом с образованием диоксида углерода:
С + О2 = СО2 (1.1)
- частичное окисление с выходом монооксида углерода:
2С + О2 = 2СО (1.2)
- доокисление монооксида до диоксида в объеме около поверхности горения:
2СО + О2 = 2СО2 (1.3)
Реакции по уравнениям (4.1) и (4.2) являются гетерогенными, так как в реакции участвуют горючее и окислитель, находящиеся в разном фазовом состоянии: твердое горючее и газообразный окислитель-кислород. Реакция по уравнению (4.3) относится к гомогенной, так как здесь оба вещества, вступающие в реакцию, являются газообразными.
В условиях высоких температур в ядре факела могут протекать реакции с поглощением теплоты, которые являются эндотермическими. К эндотермическим реакциям, например, относится реакция восстановления диоксида углерода на раскаленной поверхности углерода при недостатке кислорода:
С + СО2 = 2СО (1.4)
Термодинамический анализ
Для расчета энергии Гиббса воспользуемся энтропийным методом:
ΔG = ΔH – T*ΔS
Термодинамические константы исходных веществ и продуктов реакции
взяты из справочной литературы и представлены в таблице 1.1
Таблица 1.1
| Вещество | ΔH0298, кДж/моль | ΔS0298, Дж/моль*К |
| С | 0 | 5,74 |
| О2 | 0 | 205,03 |
| СО2 | -393,51 | 213,6 |
| СО | -110,5 | 197,4 |
Расчет ΔH0298 и ΔS0298 проводим по формулам:
DH0298 = S(niH0298)прод – S( niH0298)исх.
DS0298 = S(niS0298)прод – S( niS0298)исх.
Реакция (1.1):
ΔH = (-393,51) – (0+0) = -393,51 кДж = -393510 Дж/моль = -393,51 кДж/моль
Т.к. ΔH = -Qp, то Qp = 393,51 кДж – реакция экзотермическая
ΔS = (213,6) – (5,74+205,03) = 2,83 Дж/моль*К
Так как температура в паровых энергетических котлах достигает очень больших значений, то примем интервал рассматриваемых температур для реакции (4.1) 300 – 1800 0С (573 –2073 К).
Расчет ΔG при различных температурах:
ΔG573 = -393510 – 573*2,83 = -395131,59 Дж = -395,13 кДж
ΔG973 = -393510 – 973*2,83 = -396263,59 Дж = -396,23 кДж
ΔG1373 = -393510 – 1373*2,83 = -397395,59 Дж = -397,39 кДж
ΔG1773 = -393510 – 1773*2,83 = -398527,59 Дж = -398,53 кДж
ΔG2073 = -393510 – 2073*2,83 = -399376,59Дж = -399,37 кДж
Аналогичные расчетные значения ΔH0298 и ΔS0298 для выше приведенных реакций (1.1-1.4) представлены в таблице 1.2
Таблица 1.2
| Термодинамическая величина | № реакции | |||
| 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | |
| ΔH0298, кДж/моль | -393,51 | -221 | -566,02 | 172,51 |
| ΔS0298, Дж/моль*К | 2,83 | 178,29 | -172,63 | 175,46 |
Аналогично рассчитаны ΔGт для реакций (1.1-1.4) и представлены в таблице 1.3
Таблица 1.3
| t, 0С | Т, К | № реакции и значение ΔGт, кДж/моль | |||
| 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | ||
| 300 | 573 | -395,13 | -323,1 | -467,1 | 71,97 |
| 500 | 973 | -396,26 | -394,47 | -398,05 | 1,78 |
| 700 | 1373 | -397,39 | -465,79 | -329 | -68,39 |
| 900 | 1773 | -398,53 | -537,11 | -259,95 | -138,58 |
| 1100 | 2073 | -399,37 | -590,59 | -208,16 | -191,22 |
Рис. 1.1 – График зависимости энергии Гиббса от температуры
Ряд 1 – реакция 1.1; Ряд 2 – реакция 1.2; Ряд 3 – реакция 1.3; Ряд 4 – реакция 1.4
Термодинамический анализ процессов (1.1-1.4) позволил сделать следующие выводы:
1) Температура: На Рис 1.1 видно, что изменение температуры практически не влияет на значение энергии Гиббса в реакции 1.1. При увеличении температуры энергия Гиббса в реакциях 1.2 и 1.4 уменьшается, т.е. термодинамическая вероятность реакций увеличивается. В реакции 1.3 – наоборот: увеличение температуры приводит к увеличению энергии Гиббса.
2) Концентрация: Во всех реакциях следует брать избыток кислорода. В этом случае выход продуктов будет больше.
Кинетический анализ:
Известно, что твердое топливо можно нагреть до достаточно высокой температуры (температуры воспламенения) без изменения его агрегатного состояния. Таким образом, горение твердого топлива будет протекать на поверхности раздела фаз, следовательно, процесс горения твердых топлив относится к гетерогенным. Рассмотрим гетерогенный процесс горения более подробно.
Допустим, имеется некоторая масса твердого топлива, которая подается в топку на сжигание. После попадания холодного топлива в горячую топку оно начинает нагреваться. Так как твердое топливо может содержать некоторое количество влаги в свободном и в связанном (гидратном) состоянии, то в первую очередь влага, находящаяся в свободном состоянии, будет испарена. Испарение влаги приведет к увеличению количества дымовых газов и к снижению, как их температуры, так и температуры сжигания топлива. Далее, с увеличением температуры, содержащиеся в топливе гидраты будут разлагаться, и из топлива будет испаряться гидратная влага (как правило, количество гидратной влаги невелико, и ее количество обычно связано с зольностью топлива). Кроме того, так как твердое топливо может содержать некоторое количество углеводородов, то при повышении температуры начнется процесс их термического разложения с выделением легких летучих углеводородов, которые будут сгорать в газовой фазе. При выделении легких углеводородов твердое топливо будет ококсовываться, т.е. количество углерода в топливе будет увеличиваться, а количество водорода – уменьшаться. Когда основное количество летучих сгорит, то создадутся условия доступа кислорода воздуха к раскаленным частичкам ококсовованного топлива, что вызовет воспламенение самих частичек топлива, и начнется процесс гетерогенного горения.
Таким образом, горение твердых топлив протекает по следующим стадиям:
1. Нагрев твердого топлива с выделением свободной влаги и, возможно, некоторой части летучих.
2. Нагрев твердого топлива с выделением гидратной влаги, летучих, ококсовование частичек топлива, горение летучих.
3. Горение коксового остатка.
4. Удаление золы.
Вывод кинетического анализа:
В зависимости от условий, лимитирующей стадией процесса может быть любая из пяти стадий.
- При низкой температуре: скорость химической реакции мала, поэтому процесс горения будет лимитироваться кинетикой реакции.
- При высокой температуре: скорость химической реакции велика, а диффузии – мала, поэтому скорость процесса горения будет определяться внутренней или внешней диффузией. Причем скорость внутренней диффузии определяется свойствами золы (наличием и размером пор) и толщиной слоя золы, а скорость внешней диффузии – гидродинамикой газового потока и площадью массообмена, т.е. размером частиц.
Таким образом, на основе теоретического анализа можно сделать выводы об условиях проведения процесса и сформулировать требования к твердому топливу с целью интенсификации процесса горения:
- для увеличения скорости химической реакции необходимо поддерживать высокую температуру
- недопустимо использовать топливо с большим количеством золы или легкоплавкой золой, т.к. при большом количестве золы в топливе, слой шлака будет толстый, а если зола легкоплавкая, то раплавленный шлак может покрыть плотным слоем поверхность кокса и будет препятствовать подводу необходимого количества кислорода в зону реакции
- перед сжиганием необходимо предварительно подготавливать (дробить) топливо, а сжигать топливо в топках, обеспечивающих турбулизованный и высокоскоростной поток воздуха
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 971; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!