CC BY
17
Romanenko Vladimir Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, vladi-mir.romanenko.31@bk.ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
УДК 66.045.122
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-395-402
ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
Р.Г. Сафин, В.Г. Сотников, И.Р. Ильясов
Производство активированного угля - высокотемпературный процесс, сопровождающийся обильным выделением тепловой энергии. Данная энергия может быть преобразована для поддержания процесса получения активированного угля, снизив тем самым общие энергозатраты, а как следствие, и себестоимость активированного угля. Передача тепловой энергии осуществляется через теплообмен между теплоносителями. Теплообмен осуществляется через специальные аппараты называемые рекуперативными теплообменниками. В данной работе представлена технологическая схема пароперегревательного устройства. Описана методика теплового расчета пароперегревателя в соответствии с его геометрическими параметрами. Получены расчетные зависимости теплового потока от количества трубок теплоносителя и геометрических параметров теплообменной поверхности. Разработан алгоритм теплового расчета пароперегревателя.
Ключевые слова: кондуктивный теплообмен, перегретый пар, топочные газы; пиролиз, ресурсосбережение, энергосбережение.
Производство активированного угля это высокотемпературный процесс с выделением и поглощением большого количества тепловой энергии. Основное сырье для производства активированного угля это каменный уголь. Но его запасы истощатся. Другим сырьем для производства активированного угля могут служить органические отходы различных отраслей промышленности. Наиболее известным способом получения активированного угля из органических отходов является пирогенетическое разложение с паровой активацией сухого остатка. Для максимальной эффективности пиролиза нужно избегать потери энергии теплоносителей: газа и пара, возникающие при переработке сырья. Для обмена тепловой энергией существуют рекуперативные теплообменные аппараты. В аппаратах данного типа передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их теплообменную поверхность [1].
В данной работе поставлена задача разработки методики расчета пароперегревателя для установки производства активированного угля с целью создания перегретого водяного пара с температурой 900°С за счет охлаждения топочных газов с 1000 до 500°С, получаемых при сжигании сепарированных газов пиролиза и активации [2^7].
На рис. 1 представлена схема установки переработки отходов в активированный уголь
[2].
Конструктивно установка производства активированного угля представляет собой вертикальную реторту, где измельченные в зоне 1 отходы непрерывно движутся сверху вниз и по мере прохождения зон сушки 2, пиролиза 3, активации 4, охлаждения 5, укупорки 6 превращаются в готовый продукт[2^7].
В зонах установки 2-5, происходят эндотермические процессы сушки, пиролиза, активации поддерживаемые экзотермическими процессами горения и охлаждения в результате которых образуются пар необходимый для активации угля и топочные газы- выгоревшие горючие газы с температурой около 1000 °С.
Установка работает по принципу кондуктивного пиролиза. Топливом для работы установки служат горючие газы, получаемые при разложении отходов.
Рис. 1. Установка переработки отходов в активированный уголь
Активация древесного угля осуществляется водяным перегретым паром. Данный пар получен в результате охлаждения угля технологической водой. Температура пара 500...550°С, недостаточна для проведения процесса активации, требуемая температура составляет 860. 900 °С.
Внедрение пароперегревателя в дымоход зоны пиролиза позволит снизить тепловые потери установки производства активированного угля и достичь требуемых показателей перегретого пара.
Рис. 2. Технологическая схема работы пароперегревателя в установке производства
активированного угля
Конструктивно пароперегреватель представляет собой герметичную сварную емкость - стальной кожух 2, с температурными компенсаторами 8, внутри которого расположены трубки 1 подогреваемого водяного пара. Подогревающий теплоноситель (топочные газы) подается в патрубок 7, циркулирует по межтрубному пространству и удаляется через патрубок 6. Перегретый пар поступает через патрубок 5 и удаляется через патрубок 4. Перегородки 3 усиливают теплообмен.
При заданных значениях массы пара тП, [кг] для активации угля и известном времени процесса активации та, [с], можно найти объемный расход перегретого пара Сл, [м3/с]:
т
0П =, (1) -Рп
где, Рп- плотность пара, [кг/м3].
Число трубок п находится из уравнения:
4 • G
п = 4 7П . (2)
ж • й2 • wП
Диаметр трубки df задается стандартного значения исходя из производительности пароперегревателя, wп- средняя скорость пара, [км/с].
Коэффициент теплоотдачи для пара рассчитывается по выражению:
0,018 •
/ ,7 Л0,8
™П • а
П внут
■К
ап =-^^-, (3)
внут
где Хп- теплопроводность пара, [Вт/(м-°С)]; Vп-кинематическая вязкость пара [м2/с]. Внутренний диаметр трубки определяется соотношением:
а = а, - 28,
внут 2 ^
где, df— диаметр трубки, [м]; 5- толщина стенки трубки, [м].
Межтрубные расстояния Sl и S2, [м], выбираются из условия:
^ = S2 =(2 - 3)^ . (4)
Для пароперегревателей в которых в качестве теплоносителей используются топочные газы наиболее оптимальной конструкцией сечения межтрубного пространства Г, [м2], будет квадрат или прямоугольник. Внутреннее сечение кожуха ГС, пароперегревателя можно определить из соотношения:
/с = (^ • (2, +1)) • (^ • (2, +1)), (5)
где, z1, ZJ соответственно число трубок пароперегревателям в рядах, соответственно, вертикальном и горизонтальном.
При квадратном сечении:
2. = 2. = VП .
Живое сечение межтрубного пространства Г определяется из соотношения:
2 = /с - (0,785 • а2) • п. (6)
Эквивалентный диаметр прямоугольного канала, по которому циркулирует топочный газ d2, [м], определяется соотношением:
йЭ = . (7)
v ж
Количество теплоты необходимое для подогрева пара Qп, [Дж], определяется выражением:
0п= тп• Сп • (г; - П ^ (8)
где сп- теплоемкость пара, [Дж/(кг-°С)]; tвх- температура пара на входе в пароперегреватель, [°С]; ^ых- температура пара на выходе из пароперегревателя, [°С].
Потери теплоты в окружающую среду отнимаемой от теплоты топочного газа определяется соотношением:
^потерь (0,05 0,1) ^^П . (9)
Количество теплоты отдаваемое топочными газами для подогрева пара Qтг, [Дж] определяется выражением:
^^ ТГ ^^ П ^^потерь , (10)
где сп- теплоемкость пара, [Дж/(кг°С)]; температура на входе в пароперегреватель, [°С]; tвых- температура на выходе из пароперегревателя, [°С].
При известном количестве теплоты, которую топочные газы передают водяному пару можно найти массу топочных газов тп, [кг], необходимых для перегрева пара:
шТГ =-^-, (11)
11 с ■ (/вх — /вых )
ТГ ТГ ТГ
где стг- теплоемкость пара, [Дж/(кг°С)]; температура топочного газа на входе в пароперегреватель, [°С]; ^ых- температура топочного газа на выходе из пароперегревателя, [°С].
Объемный расход топочного газа Gтг, [м3/с] рассчитывается по соотношению:
ш
Отг = 111, (12)
^ А ■ РтГ
где рТГ- плотность топочных газов, [кг/м3]; тТГ- масса топочных газов, [кг]. Скорость топочных газов wТГ, [м/с], можно найти по выражению:
м^ТГ = 01Г / / . (13)
Коэффициентов теплоотдачи для топочного газа рассчитывается по уравнению:
0,018 ■
Г J Л0,8
™ТГ ■ Лэ
Кг
аТГ =--, (14)
ЛЭ
где Атг— теплопроводность топочных газов, [Вт/(м-°С)]; Vтг- кинематическая вязкость топочных газов, [м2/с].
Коэффициент теплопередачи определяется из уравнения:
* = 1 1 т <15)
— + — + —
&П ^ТГ Кс
где Ас- теплопроводность материала стенки, [Вт/м-°С].
Температурный напор Лt для противоточного движения пара и топочного газа, [°С] определяется выражением:
(;вх 1 еых \ I ; еых .¿вх \
ХТГ — ^ТТ-П!. (16)
вех ;вых \
щ/ТГ~ П (
вых вх
\ТГ — /П '
Поверхность теплообмена F, [м2] определяется уравнением:
р = —ОгГ— . (17)
к ■А/ ■тА
Зная поверхность теплообмена, количество и диаметр трубок можно найти их длину L,
[м]:
р
I =-р-. (18)
ж ■ (Л + Т) ■ п
V внут /
На рис. 3 представлен алгоритм теплового расчета пароперегревателя. Алгоритм условно делится на 3 блока.
В первом блоке алгоритма вводятся исходные данные, необходимые для построения
расчета.
Во втором блоке приводится математическое моделирование процесса передачи тепла от топочных газов к водяному пару согласно уравнениям (1)^(18). После вывода промежуточных данных происходит расчет температурных диапазонов до того момента пока температура не превысит конечную температуру. Далее производится подбор количества трубок до превышения конечного значения количества трубок.
В третьем блоке происходит вывод данных полученных во втором блоке.
сл: стг; -ч: "-:ь ; рп: ;"т:
I
I ;!■ дт Ттгчч: Тц В: шп: Щгт1
та; 1>- и. лп л1
ИГ
Рис. 3. Алгоритм теплового расчета пароперегревателя
В соответствии с предложенным алгоритмом смоделирована зависимость отводимой теплоты топочного газа от времени активации и количества трубок теплоносителя рис. 4.
Ю 20 ЗО ¿0 50 60 70 во 9(3 ЮО ПО 120 х. с
Рис. 4. Зависимость отводимой теплоты топочного газа от времени активации
и количества трубок теплоносителя
По расчетам модели можно выбрать оптимальное число трубок при известном времени активации и длине газохода для топочных газов.
На рис. 5 приведены расчетные значения изменение суммарной длины трубок от их диаметра при различных расходах от расхода пара.
20 10 60 80 ЮО 120 Ш ЬО180200220 210 ^ „-/ч
а б
Рис. 5. Геометрические параметры теплообменной поверхности: а- зависимость теплообменной поверхности от расхода пара; б - соотношение длин трубок от их диаметра при различных производительностях по пару (0г=0,02м3/с;
а2=0,014 м3/с; а3=0,009 м3/с) 398
Представленная методика расчета пароперегревателя для установки производства активированного угля позволяет рассчитать оптимальные геометрические параметры теплооб-менной поверхности для создания перегретого пара заданного количества. Использование про-тивоточной схемы теплоносителей, уменьшение межтрубного пространства дает существенный рост в, скорости теплообмена между водяным паром и топочными газами. Предложенная методика расчета пароперегревателя позволяет рассчитывать аппараты разных компоновок для установок с высоким температурным диапазоном.
Список литературы
1. Юрьев Ю.Л., Орлов В.П., Панюта С.А., Штеба Т.В. Проблемы аппаратурного оформления процессов переработки измельченной древесины в активные угли. Лесной журнал. 2000. №5-6. С. 52-57.
2. Патент РФ № 2694347, 11.07.201МПК С 10 B 53/00. Способ получения активированного угля.
3. Сафин Р.Г., Степанова Т.О., Зиатдинов Р.Р., Рябушкин Д.Г., Петров В.И., Сотников В.Г. Конструктивный расчет пиролизной зоны установки производства активированного угля. Деревообрабатывающая промышленность. 2020. №3. С. 45-55.
4. Сафин Р.Г., Зиатдинов Р.Р., Сотников В.Г., Рябушкин Д.Г., Гумеров Д.Р. Моделирование процесса измельчения и транспортирования органических отходов в установке производства активированного угля. Системы. Методы. Технологии. 2021. №2(50) С. 152-157.
5. Сафин Р.Г., Степанова Т.О., Зиатдинов Р.Р., Рябушкин Д.Г., Сотников В.Г. Конструктивный расчет пиролизной зоны установки производства активированного угля. Деревообрабатывающая промышленность. 2020. №3. С. 72-80.
6. Сотников В.Г. Моделирование процесса измельчения и транспортировки органических отходов для установки по производству активированного угля. Системы. Методы. Технологии. 2021. №3. С. 92-97.
7. Сафин Р.Г., Зиатдинов Р.Р., Сотников В.Г., Рябушкин Д.Г., Ахметова Д.А. Методика расчета пиролизной зоны в установке производства активированного угля. Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2021. №3. С. 26-35.
8. Самородов А.В., Рощин С.П., Кунтыш В.Б. Лучистый теплообмен одиночной ребристой трубы с окружающей средой // Сб. науч. тр.: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Архангельск. АГТУ, 1997. Вып. 2. С. 102-113.
Сафин Рушан Гареевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, safin@kstu.ru, Россия, Казань, Казанский национальный исследовательский технологический университет,
Сотников Виктор Георгиевич, аспирант, ассистент, vcvcvc12345678@gmail.com, Россия, Казань, Казанский национальный исследовательский технологический университет,
Ильясов Ильшат Ришатович, аспирант, vcvcvc1234567@gmail.com, Россия, Казань, Казанский национальный исследовательский технологический университет
STEAM HEATER FOR ACTIVATED COAL PRODUCTION UNIT R.G. Safin, V.G. Sotnikov, I.R. Ilyasov
The production of activated carbon is a high-temperature process accompanied by an abundant release of thermal energy. This energy can be converted to support the activated carbon production process, thereby reducing overall energy consumption and, as a consequence, the cost of activated carbon. The transfer of heat energy is carried out through heat exchange between heat carriers. Heat exchange is carried out through special devices called recuperative heat exchangers. This paper presents the design of a shell-and-tube recuperative heat exchanger. The calculation method is described, including the calculation of the heat balance of the heat exchanger and geometric parameters. The dependence of the amount of heat transfer on the number of coolant tubes is obtained. It is shown that an increase in the number of tubes without changing the total heat exchange surface area leads to a significant increase in the rate of heat transfer from one coolant to another.
399
Key words: conductive heat exchange; superheated steam; flue gases; pyrolysis; resource saving; energy saving.
Safin Rushan Gareevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, safin@kstu.ru, Russia, Kazan, Kazan National Research Technological University,
Sotnikov Viktor Georgievich, postgraduate, assistant, vcvcvc12345678@,gmail.com, Russia, Kazan, Kazan National Research Technological University,
Ilyasov Ilshat Rishatovich, postgraduate, vcvcvc1234567@gmail.com, Russia, Kazan, Kazan National Research Technological University
