Нефтяные котлы-утилизаторы

Кроме факельных установок в настоящее время применяются установки котлов-утилизаторов в блочной компоновке. Главным оборудованием установки является печь, в которой происходит процесс сжигания. Можно встретить название "инсинератор

В настоящей работе рассматривается тема сжигания газов в котлах-утилизаторах.

2. Теория расчета теплоты сгорания

Нефть является смесью углеводородов, поэтому в литературе приводят ряд элементов, из которых состоит нефть и указывается доля каждого элемента.

По таким исходным данным методами инженерной химии тепловой расчета выполнить представляется не решаемым, поэтому может быть использован подход, применяемый в теплотехнике.

На современном уровне расчеты выполняются в программных пакетах методом конечных элементов. Результатом расчетов являются цветные диаграммы по сечению котла с наличием шкалы, по которым проектировщик может сделать заключение о разработке котла.

2.1. Расчет методами инженерной химии

Выполнение тепловых расчетов методами инженерной химии представлено в работе [4].

Тепловой эффект (экзотермический или эндотермический) рассчитывается по разности энтальпий продуктов и сырья. Направление реакции определяется расчетом энергии Гиббса.

Расчет ведется по степенным зависимостям с эмпирическими коэффициентами, приведенными в справочниках по физической химии.

Степенная зависимость для энтропии:

Степенная зависимость энтальпии:

Коэффициенты для степенной зависимости приведены в специальных справочниках и на основе экспериментальных данных. Аналогичная зависимость используется для энергии Гиббса.

В отсутствии данных по коэффициентам степенной зависимости для теплоемкости, расчет выполняют без использования степенной зависимости по среднему значению теплоемкости.

Указанные уравнения получены с применением уравнения Нернста так как при известной теплоемкости в расчетном диапазоне температур можно вычислить энтропию и постоянную интегрирования.

Записанная выше методика расчета теплового баланса и теплового эффекта химического процесса применима при известном составе газов и наличии описания в виде химических реакций горения. На основании реакций составляется материальный баланс, используя данные которого выполняются тепловые расчеты.

2.2. Расчет методами теплотехники

Как правило состав фракции нефтепродукта записывается с указанием последовательности элементов и их процентного содержания. В этом случае расчет теплового процесса можно сделать по методике теплотехнике. В такой методике записываются простые реакции окисления каждого элемента, составляется материальный, а затем тепловой баланс.

Элементный состав жидких углеводородов записывается в виде [5]:

Индекс «р» указывает о вхождении элемента в рабочее топливо.

Схема взаимного деления топлив показана ниже по источнику [5]:

A и W являются массовыми долями золы и влаги в топливе. Зола является минеральными соединениями, образующимися в топливе при его выработке на нефтеперерабатывающем заводе.

Sгор – часть серы в виде колчедана, участвующая в процессе горения, сера может присутствовать в виде сульфатных соединений, не участвующих в процессе (не горючих).

Зола вместе с влагой составляют балласт для топлива, снижающий теплоту сжигания.

Для сухой массы топлива (то есть без члена W в общей формуле):

Для горючей массы топлива:

Для нахождения доли вхождения компонентов в части топлив используют коэффициенты:

– для сухой массы (умножается на содержание в рабочей массе):

– для горючей массы (умножается на содержание в рабочей массе):

В природном газе содержатся [5]:

– метан 90%,

– диоксид углерода,

– азот,

– высшие углеводороды,

– соединения серы,

– водяной пар.

В попутном газе содержится [5]:

– пропан,

– бутан.

Биогаз состоит из [5]:

– метана 55…75%,

– диоксида углерода 25…45%.

Как указывается в работе [5] состав газовых топлив приводится для их сухой части для компонентов в объемных доля и формула записывается в виде:

При присутствии в составе сжигаемого топлива водорода и воды теплоту сгорания делят на низшую и высшую.

Различие в высшей и низшей теплоте сгорания состоит в теплоте на испарение воды, которая присутствует в сжигаемом топливе и образуется при окислении водорода.