Читаем Нефтяные котлы-утилизаторы онлайн бесплатно

Узлы утилизации отработанных (отходящих) газов являются важной частью технологических схем нефтеперерабатывающих заводов. О применении котлов-утилизаторов и инсинераторов в современной литературе по нефтепереработке имеется мало данных. Вместе с тем, это оборудование является используемым.

На месторождениях нефтедобычи и нефтеперерабатывающих заводах применяются факельные установки по сжиганию газа. В настоящей работе показано применение котлов-утилизаторов для сжигания газа возможно взамен факельных установок с целью полезного использования теплоты отработанных газов.

Приведена теория расчета процессов сгорания топлива по методике теплотехники, теория теплового расчета котла-утилизатора. Теория представлена на основании результатов, полученных в ВолгГТУ (Волгоград). По остальным вопросам нефтепереработки автор отдает предпочтение работам из РГУ нефти и газа им. Губкина и МЭИ (Москва).

В компаниях, занимающихся проектированием для нефтепереработки, существует ответвление по печам и теплообменным устройствам. Содержание текста относится к этому направлению, для поверхностного ознакомления с теплотехническими расчетами котлов-утилизаторов, и адресуется конструкторам и технологам по нефтепереработке и химии.

Интерес представляет совместное упоминание методики расчета процессов горения из инженерной химии, в которой должны быть указаны все химические соединения и методики из теплотехники, в которой указывается состав углеводорода нефти в виде ряда элементов с их массовыми долями.

Приведенные данные по топливам полезны для изучения химмотологии моторных топлив.

Посвящается Богу-Троице, Творцу Вселенной,

св. Сергию Радонежскому,

благодарность моей маме, инженеру-машиностроителю.

В процессах нефтедобычи совместно с нефтью из недр извлекается попутный газ, который оделяют от нефти. "Природный" газ добывается в газодобыче.

В процессах нефтепереработки первичной и вторичной вырабатываются технологические газы в количествах по данным Капустина В.М. [1] 5…20%масс. Состав технологического газа как правило включает алканы С1…С4, алкены С2…С4, сероводород, водород и соединения азота.

Автор настоящей работы в свое время работал во ВНИПИнефть, когда В.М. Капустин занимал должность генерального директора института.

Наличие сероводорода учитывается при выборе материального исполнения стенки оборудования (должно быть стойким к сероводородному растрескиванию). Из сероводорода вырабатывают серную кислоту и элементную серу S2, S6, S8 [2].

Газы могут перерабатываться в товарные продукты. Тематика переработки газов не рассматривается.

Газы могут утилизироваться сжиганием с рекуперацией тепла или без нее (то есть с использованием теплоты отходящих газов на нагрев продукта).

Капустин отмечает [2,с.379], что для уменьшения выбросов соединений серы, её удаляют из газового потока, то есть газы подвергают очистке перед сжиганием. Например, в процессе окисления гудрона, серу необходимо удалять из отработанных газов перед подачей на сжигание.

Стадия очистки газов в технологической схеме установки является очень важной и должна быть глубоко проработана. Лучшим способом утилизации каких-либо отходов нефтепереработки является перевод их в товарные продукты.

Также Капустин [2] отмечает о том, что сокращение содержания соединений азота в отработанных газах обеспечивается за счет абсорбции или каталитического восстановления.

Данные для сжигания газов в факельных системах могут быть использованы для разработки процессов сжигания газов в котлах-утилизаторах. Тема факельных установок широко описана в соответствующей литературе по нефтепереработке.

Капустин указывает [2,с.381] о применении факельных установок для утилизации горючих газов. И мероприятием по снижению выбросов на факельной установке может быть прекращение сжигания газов на факелах.

"На факел" подают по данным [3,с.236] газы аварийного сброса, газы от опорожнения оборудования, газы от пуска установок, отработанные газы и сдувки, образующиеся в процессах нефтепереработки.

Капустин указывает [3] о применении на заводах нефтепереработки общей, отдельной и специальной факельной системы. Специальные системы используются, если сжигаемые в них вещества не могут сжигаться на общих системах. Применение специальный факелов целесообразно для газов, содержащих сероводород в количестве от 8% масс.

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.

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.

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.

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.

Теплота парообразования воды (она же выделяется при конденсации из пара) составляет около 2,5 МДж/кг. При выходе продуктов сгорания из калориметра, продукты выходят со сконденсированным водяным паром. В результате по калориметру находят высшую теплоту сгорания. Низшую теплоту сгорания можно получить, если отсутствует конденсация пара при температуре продуктов выше температуры кипения воды.

По методике теплотехники теплоту сгорания находят для жидких и твердых углеводородов по формуле Менделеева Д.И. [5] (в МДж/кг):

Низшую теплоту сгорания газообразных углеводородов находят по формуле [5] через произведение объемной доли компонента на его низшую теплоту сгорания:

Также для твердых топлив существует формула Дюлонга.

Для расчета расхода требуемого воздуха используются стехиометрические коэффициенты по реакциям окисления отдельных элементов газообразных или жидких углеводородов.

Неполное сгорание учитывается увеличенным расходом воздуха (см. ниже) при расчете котла-утилизатора.

По расчету реакций окисления составляется таблица материального баланса.

Температуру сгорания определяют по формуле:

через теплоту сгорания топлива, теплоту диссоциации воды и диоксида углерода, объем продуктов сгорания (на единицу топлива), объемную теплоемкость продуктов сгорания.

Температура продуктов сгорания находится по энтальпии продуктов сгорания:

Вывод формулы для t

a и b – постоянные интерполяционной формулы средней объемной теплоемкости i-го компонента продуктов сгорания (ПС) смеси ОГ и ПГ в изобарном процессе.

Температура продуктов реакции при аналитической интерполяции см. [7,с.21].

В расчете процесса горения находят:

– материальный баланс,

– теплоту сжигания смеси

– объемные доли и парциальные давления трехатомных продуктов сгорания,

– энтальпию отходящих газов,

– постоянные расчетного уравнения энтальпии продуктов.

Рассмотрим методику, применяемую в теплотехнике.

Коэффициент избытка воздуха показывает степень конверсии воздуха в процессе сжигания:

то есть равен отношению действительного количества воздуха к теоретическому по процессу.

Количество избыточного воздуха:

Для теоретического расхода воздуха объем продуктов сгорания:

Избыточный воздух увеличивает количество водяного пара по сравнению с теоретическим количеством на величину Δ:

Теоретически необходимое количество воздуха на сжигание 1 куб.м смеси из утилизируемого с добавляемым топливом (газом) [6]:

В формуле обозначении «СО» и др. указывают объемную долю в % компонента в сухой массе отходящих газов.

показывает воздух для полного сжигания природного газа в объеме 1 куб.м.

Индекс «ПГ» используется для случая применения природного газа, «ОГ» для отходящих газов.

Доля природного газа в единицах объема в смеси [6]:

(суммарный расход газа состоит из газов с индексами «ОГ» и «ПГ»).

Объемы продуктов сгорания [6]:

– действительный объем водяного пара (в куб.м/куб.м):

влагосодержание отходящих газов (в г/куб.м):

(– объемная доля в % влаги в отходящих газах, для водяного пара при н.у.

– объем азота теоретический (в куб.м/куб.м):

– объем трехатомных газов (в куб.м/куб.м):

– объем избыточного воздуха (в куб.м/куб.м):

Суммарно

Объемные доли [6]:

– водяного пара:

– сухих трехатомных газов:

– трехатомных газов

Парциальное давление:

(при отсутствии наддува

Низшая теплота сгорания сухой смеси сжигаемых газов и добавляемого горючего агента (в рассматриваемом примере природный газ):

Числа 12636, 10798 и др. являются низшей теплотой сгорания горючих компонентов отходящих газов в кДж/куб.м.

В котле-утилизаторе процесс течения газа по газоходу котла условно относится к изобарному по данным [6]. В этом случае теплота Q представляет собой разность энтальпий на входе и выходе:

При расчете котла-утилизатора рассчитывается тепло, передаваемое от горячих газов к хладагенту, то есть воде, воздуху, пару, подводимым к газовым смесям.

Для воздуха используются энтальпии при разных значениях температуры воздуха и разных значения энтропии (физической теплоты [6]) газов с температурой на входе в котел. По данным [6] энтальпии продуктов сгорания и воздуха рассчитываются на 1 куб. м горючих газов, поступающих в топку котла-утилизатора.

Тепловой баланс котла-утилизатора [6] аналогичен тепловому балансу химической реакции в методике инженерной химии [4]. Но за некоторыми отличиями.

Теплом приходя является располагаемая теплота:

Из уравнения теплового баланса

То есть равно сумме полезной теплоты (нагрев воды или получение пара), теплоты исходящих газов, теплоты химической неполноты сгорания газовой смеси, потерь теплоты в окружающую среду через наружное ограждение [6].

Как правило уравнения теплового баланса записывают в теплотехнике при принятии располагаемой теплоты за 100%: