6. Тепловой баланс периодической сульфатной варки

Исходные данные:

Наружная поверхность кожуха котла, м² - 160

Средняя толщина стальной стенки, мм - 30

Масса корпуса котла с арматурой, т - 70

Толщина тепловой изоляции. Мм - 65

Масса изоляции, т - 6,3

Теплоёмкость, кДж/(кг*°С):

- абсолютно-сухой древесины и растворённых органических веществ-

1,34

- растворённых минеральных веществ-1,13

- воды в щёлоке - 4,19

- стали котельной - 0,50

- тепловой изоляции - 0,92

Начальные температуры, °С:

- щепы и влаги в ней - 10

- белого щёлока – 60

- чёрного щёлока (при заливке в котёл) – 70

Средняя температура стального кожуха котла, °С:

- в начале заварки - 140

- в конце заварки - 170

Средняя температура изоляционного слоя, °С:

- в начале заварки - 80

- в конце заварки - 120

По данным материального баланса:

Выход воздушно-сухой целлюлозы из одного котла объёмом 140 м³, кг

(п. 7.1.4) 11420 кг.

Количество загруженных в котёл, кг:

- абсолютно-сухой щепы, загруженной в котёл 1955,56*11,420 = 22333

- влаги в щепе 1053,0*11,420 = 12025

- воды в белом щёлоке 3055,5*11,420 = 34894

- минеральных веществ в белом щёлоке 523,85*11,420 = 5982

- воды в чёрном щёлоке 4104,9*11,420 = 46878

- органических веществ в чёрном щёлоке 425,88*11,420 = 4864

- минеральных веществ в чёрном щёлоке 182,52*11,420 = 2084

Веществ, уходящих из котла с терпентинной сдувкой, кг:

- водяных паров 176,0*11,420 = 2010

- паров органических соединений 20*11,420 = 228

- воды в щёлоке (с перебросами) 82,1*11,420 = 938

- органических веществ в щёлоке (с перебросами) 7,75*11,420 = 89

- минеральных веществ в щёлоке (с перебросами) 7,17*11,420 = 82

Затраты тепла на одну варку

6.1. Нагрев абсолютно-сухой щепы и растворенных органических веществ (с учетом ухода части из них при терпентинной сдувке) Q₁:

Средняя температура при терпентинной сдувке при проведении её на стадии <<Заварка>> до выхода на конечную температурe варки: (120°+170°)/2 = 145°С

Q₁ = 22333*1,34*(170°- 10°) + 4864*1,34*(170°- 70^o)-

(228+89)*1,34*(170°-145°) = 5429351,7 кДж.

6.2. Нагрев влаги в щепе (Q₂):

Q₂=12025*4,19*(170^o-10^o) = 8061560 кДж.

6.3. Нагрев белого и черного щелока и растворенных минеральных веществ (с учётом количеств, уходящих при терпентинной сдувке) Q₃:

Q₃= (34894*4,19 + 5982*1,13)*(170° - 60°) + (46878*4,19 +

2084*1,13)*(170^o- 70^o) -[(2010 + 938)*4,19 + 82*1,13]*(170^o -145^o) =

36392462 кДж.

6.4. Нагрев корпуса варочного котла (Q₄):

Q₄=70000*0,50*(170^o-140°) = 1050000 кДж.

6.5. Нагрев теплоизоляционного слоя (Q₅):

Q₅ = 6300*0,92*(120^o-80°) = 231840 кДж.

6.6. Потери тепла теплоотдачей (Q₆):

Принимаем коэффициент теплопередачи через теплоизолированную стенку равным 12кДж/(м² ч С⁰).

Начальную температура содержимого котла примем 58⁰ С⁰,температуру воздуха в помещении 20°С.

Средняя температура содержимого котла за время заварки:

(58°+170°)/2 = 114°С

При продолжительности заварки – 2 ч 20 мин (2,33 ч) и варки на конечной температуре – 1 ч 10 мин (1,17 ч), потери тепла за счёт теплоотдачи составят (Q₆):

Q₆=12*160*[(114^o-20^o)*2,33 + (170^o-20^o)*1,17]=757478 кДж

6.7. Потери тепла с терпентинной сдувкой (Q₇):

Эти потери включают в себя тепло парообразования водяных паров и органических соединений. При средней температуре терпентинной сдувки -145,5°С, для водяного пара теплота парообразования (r) — r_145,5= 2128,5 кДж/кг по Приложению П.3.1.

Теплоту парообразования для органических соединений примем по скипидару равной 287 кДж/кг. Тогда:

Q₇ = 2129*2481+ 287*288 = 5364705 кДж.

6.8. Приход тепла от экзотермических реакций (Q₈)

При сульфатной варке, в отличие от сульфитной, за счёт реакции щёлочи с лигнином и другими компонентами древесины выделяется значительное количество тепла, которое по данным Брамера [1, с134] составляет 1,2% от тепла горения древесины. Для древесины лиственницы теплота сгорания составляет - 22400 кДж/кг. На одну тонну воздушно-сухой целлюлозы получим: 22400*0,012*1913,04 = 514225 кДж/тв.с.ц., а на одну котло-варку (Q₈)

Q₈= -(514225*14,984) = -7705150 кДж

Основные статьи расхода тепла представлены в табл. 7.

Из табл. 7 видно, что основными статьями расхода тепла являются нагрев влаги в щепе и щёлока. Тепло экзотермических реакций покрывает около 10% от общего расхода тепла, что представляет существенную экономию.

6.9. Рассчитаем расход пара на варку:

Для этого примем, что нагрев щёлока в щёлокоподогревателе варочного котла производится насыщенным паром давлением 1,1 МПа (Р_{маном.изб.}) имеющим энтальпию (теплосодержание) – i''_{12бар.абс.} = 2785 кдж/кг по Приложению П_.3.2. (при p_абс 1,2 МПа - 12 бар), а конденсат из подогреватели удаляется с температурой 180°С

Тогда расход пара на варку составит (по таблице 7.):

G_пар= кг/ на 1 котло- варку.

Или на 1 тонну воздушно-сухой целлюлозы по варке

G_пар = ≈ 2281 кг пара/ т в.с.ц.

Если прилить потери тепла в паропроводах и с утечками равными 5 %, то удельный расход пара для рассчитанного примера составит:

G_{пар уд. расход}= 2281*1,05 = 2395,0 кг/т, или ~ 2,4 т пара/т в.с. целлюлозы.

Таблица 7

Статьи расхода тепла на периодическую сульфатную варку

Статья расхода	Количество тепла кДж		Распределение расхода тепла %
	На одну варку (14,984 т в. с. ц.)	На 1 т воздушно сухой целлюлозы
Нагрев - Абсолютно-сухой древесины и растворённых орг. веществ - влаги в щепе - щёлока и растворённых мин веществ - корпуса котла -теплоизоляционного слоя	7081282	472590	10,20
	14002464	934494	20,17
	48538046	3239325	69,92
	1085000	72411	1,56
	231840	15473	0,33
Потери тепла - теплоотдачей - с терпентинной сдувкой	606029	40445	0,87
	5577630	372239	8,03
Приход тепла от экзотермических реакций	-7705150	-514225	-11,10
ИТОГО расход тепла	69417141	4632751	100

Практически всё необходимое для варки количество пара расходуется в период подъёма температуры. Во время стоянки небольшие потери тепла компенсируются приходом тепла от химических реакций.