Конструктивная схема шахтной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на курсовой проект

магнезит шахтный печь обжиг

Выполнить теплоэнергетический расчет шахтной печи для обжига магнезита, произвести материальный расчет топочного и технологического процесса обжига магнезита, расчет параметров тепловой схемы технологического процесса, определить продолжительность тепловой обработки, определить и усовершенствовать основные размеры рабочего пространства шахтной печи, обеспечивающие заданную производительность установки.

Конструктивные данные шахтной печи:

· Общая высота печи 26.10 м

· Высота шахты печи 11.50 м

· Наружный диаметр печи 3.00 м

· Количество горелок 24 шт

Технические и технологические данные шахтной печи:

· Производительность печи по готовому продукту 50000 т/г

· Температура обжига 1000 ?С

· Расход первичного воздуха 6400 м?/ч

· Расход вторичного воздуха 4400 м?/ч

· Температура газов, поступающих на очистку 200 ?С

· Температура отходящих газов на выходе из печи 195 ?С

· Температура готового продукта на выходе из печи 150 ?С

· Объем отходящих газов без учета подсосов 46000 н м?

· Объем отходящих газов с учетом подсосов 68000 н м?

· Запыленность отходящих газов печи 400 мг/м?

· Запыленность газов после рукавного фильтра 20 мг/м?

В качестве топлива используется газ пропан-бутановый.

Химический состав газа.

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Химический состав магнезита:

·

·

·

·

·

Средний диаметр кусков

Введение

Магнезит (MgCO3)- важный промышленный минерал. Используется в основном для получения огнеупорных материалов, выдерживающих температуру до 1887 °С, особенно для футеровки мартеновских печей в сталеплавильном производстве.

Огнеупорные материалы получают путем обжига магнезита при t=800-1000 ?С

Диссоциация магнезита начинается уже при 400 °С, но быстрое разложение происходит при температуре свыше 640° С:

MgC03 = MgO + С02 + 121 кДж.

Обжиг осуществляется в шахтной печи.

Шахтная печь - высокотемпературная теплотехнологическая установка, которая представляет из себя установленную вертикально на фундаменте шахту, снабженную в верхней части устройством для загрузки исходных материалов (в данной курсовой работе это крупно кусковой магнезит), а в нижней - механизм для выгрузки продукции.

Конструктивная схема шахтной печи, имеет кроме зоны высоких температур (зона обжига и горения (ЗО)) еще две теплотехнические зоны рабочего пространства: экономайзерную зону (ЭЗ) и зону регенеративного охлаждения теплотехнического продукта (ЗРО). Через ЗРО шахтных печей, природным газом, целесообразно пропускать только часть расходуемого на сжигание топлива воздуха, а остальной подавать через двухпроводные горелки и воздушные сопла в ЗО. Такая схема распределения воздуха обеспечивает удовлетворительную полноту сжигания природного газа при относительно небольших коэффициентах расхода воздуха. Попытки использовать весь воздух для охлаждения технологического продукта в ЗРО с подачей всего природного газа через однопроводные горелки приводили к значительному росту химического недожега, до 30%. При определенных условиях нагрев воздуха, вводимого в ЗО помимо ЗРО, может дать заметное снижение видимого удельного расхода топлива на процесс. Подводимый к двухпроводным горелкам и воздушным соплам ЗО воздух можно нагреть путем использования теплоты отходящих газов в воздухоподогревателе ВП.

Технологический процесс включает в себя 3 стадии.

В пределах первой стадии, в процессе нагрева технологического сырья от t_и.с. до t_н.п., происходит удаление из сырья влаги и практически полностью завершается термическое разложение карбоната кальция по реакции

СаСО₃ -СаО + СО₂.

В пределах второй стадии сырье нагревается до максимальной температуры и идет термическое разложение MgСО₃

MgCO₃-MgO + СО₂

Третья стадия рассматриваемого технологического процесса не всегда обязательна. Если есть возможность использования у потребителя горячего технологического продукта, то его охлаждение в обжиговой печи может оказаться нецелесообразным. В рамках курсовой работы рассматривается наиболее распространенный случай, когда продукт направляется на склад; в этом случае третья стадия процесса обжига известняка обязательна.



Рисунок 1. Конструктивная схема шахтной печи для обжига магнезита.

1 - загрузочное устройство

2 - взрывной клапан

3 - стены

4 - воздушные сопла

5 - двухпроводные горелки

6 - однопроводные горелки

7 - разгрузочная решетка

8 - барабанный затвор

1. Расчет горения топлива

Низшая рабочая теплота сгорания топлива.

Расход кислорода на горение

Теоретический расход воздуха на горение

Действительный расход воздуха на горение

О

бъемы продуктов сгорания



Суммарный объем продуктов сгорания

Доля i-го компонента в продуктах сгорания

Плотность газа

Плотность воздуха

Плотность дымовых газов

Массовый расход газа

Массовый расход воздуха

Массовый расход дымовых газов

Небаланс

39,31+2,31=41,62

2. Материальный расчет технологического процесса

Уравнение материального баланса для технологического процесса

Удельный расход исходного сухого сырья

Rун для противотока примем 3%

у1-степень диссоциации MgCO3 - 95%

MMgCO3=84 кг/кмоль

MCO2=44 кг/кмоль

Удельный вынос уноса

Удельный выход неразложившегося карбоната магния MgCO3

Удельный выход неразложившегося карбоната кальция CaCO3

Удельный выход оксида кальция CaO

Удельный выход CO2 складывается из удельного выхода СО2 из MgCO3 и CaCO3



Удельный выход водяных паров

Технологическим продуктом является периклаз, который представляет собой многокомпонентный продукт

Удельный выход прочих компонентов в составе продукта

Удельный выход оксида магния mMgO с учетом принятых единиц составит 1кг/кгMgO

Удельный объемный выход CO2

Удельный объемный выход водяных паров

Материальный баланс

Небаланс

Выбор рациональной структуры тепловой схемы

Для крупнокускового технологического сырья вопрос о выборе более выгодных технологических условий в рабочем пространстве высокотемпературной технологической установки однозначно решается в пользу фильтруемого плотного слоя с противоположным движением кусковых материалов сверху вниз и газов снизу вверх. Такие условия реализуются в конструктивной схеме шахтной печи, имеющей кроме зоны высоких температур (зоны обжига и горения) еще две технологические зоны рабочего пространства: экономайзерную зону (ЭЗ) и зону регенеративного охлаждения (ЗРО) технологического продукта.

Так как в зоне обжига происходит диссоциация известняка, то целесообразно исходное сырье в эту зону подавать с температурой равной температуре начала диссоциации, которая находится в интервале от 400 ?С до 640 ?С и окончательно принимаем равной 500 ?С:



Температуру технологического продукта на выходе принимаем равной температуре на выходе равной 1000 ?С:

Через зону регенеративного охлаждения шахтных печей, отапливаемых природным газом, экономически выгодно пропускать только часть расходуемого на сжигания топлива воздуха, что по условию задана и равна 40%

Температуру воздуха на выходе зоны регенеративного охлаждения принимаем на 5% ниже температуры технологического продукта на выходе из ЗО:

,

Остальная часть воздуха подаётся через двухпроводные горелки и воздушные сопла в зону обжига (ЗО) (60%). Такая схема распределения воздуха обеспечивает удовлетворительную плотность сжигания природного газа при относительно небольших коэффициентах избытка воздуха.

При определенных условиях нагрева воздуха, вводимого в зону обжига, помимо зоны регенеративного обогрева, можно добиться заметного снижения видимого удельного расхода топлива в процессе. Учитывая, что подводимый к двухпроводным горелкам и к воздушным соплам зоны обжига воздух нагревается теплотой отходящих газов в воздухоподогревателе (ВП), то принимаем температуру исходного сырья на 5% меньше температуры отходящих газов:



Следовательно, для уменьшения потерь тепла и расхода топлива, целесообразно принять температуры равными:

Рисунок 2. Тепловая схема шахтной печи для обжига магнезита

Уравнение теплового баланса для зоны обжига:

,

- химическая теплота топлива, ;

- энтальпия поступающего топлива, ;

- энтальпия воздуха при входе в ЗО из ВП, ;

- энтальпия горячего воздуха при входе в ЗО из ЗРО, ;

- энтальпия исходного сырья при входе в ЗО из ЭЗ, ;

- энтальпия технологического продукта на выходе из ЗО, ;

- тепловой эффект эндотермической реакции и фазовых превращений в ЗО, ;

- энтальпия отходящих газов из ЗО, ;

- теплота химического недожога в ЗО, ;

-потери теплоты в окружающую среду через ограждения ЗО,

Уравнение теплового баланса в экономайзерной зоне:

-энтальпия технологического сырья в ЭЗ , ;

-энтальпия отходящих газов из ЭЗ , ;

- теплота химического недожога в ЭЗ , ;

-тепловой эффект эндотермической реакции и фазовых превращений в ЭЗ,

-потери теплоты в окружающую среду через ограждения в ЭЗ,

Уравнение теплового баланса в воздухоподогревателе:

,

- энтальпия холодного воздуха, поступающего в ВП, ;

- энтальпия уходящих газов, ;

- энтальпия горячего воздуха, уходящего из ВП, ;

-потери теплоты в окружающую среду через ограждения ВП .

Уравнения теплового баланса в зоне регенеративного охлаждения:

где - энтальпия холодного воздуха, поступающего в ЗРО,

-энтальпия технологического продукта, поступающего в ЗРО, ;

-потери теплоты в окружающую среду через ограждения ЗРО

3. Тепловой расчет зоны обжига

Удельный расход исходного сырья, проходящего через входное сечение ЗО

Энтальпия технологического сырья при входе в ЗО

При t=500 ?С теплоемкость принимаем

Энтальпия технологического продукта на выходе из ЗО

При t=1000 ?С теплоемкость принимаем

Тепловой эффект эндотермической реакции и фазовых превращений в ЗО

Видимый удельный расход топлива

При температуре топлива теплоемкость топлива

доля воздуха, проходящего через ЗРО

энтальпия горячего воздуха

коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду, из цели экономия топлива в шахтной печи выбирают из интервала =0,15-0,20

Энтальпия горячего воздуха на выходе из ВП

Подогрев воздуха в ВП принимаем =100 ?С, теплоемкость при этой температуре принимаем =1,284 кДж/м?*К

Энтальпия горячего воздуха на выходе из ЗРО

При t=950 ?С теплоемкость принимаем =1,114 кДж/м?*К

Энтальпия отходящего газа из ЗО

При t=526 ?С теплоемкости принимаем:

=1,99 кДж/м?*К

=1,60 кДж/м?*К

=1,34 кДж/м?*К

=1,40 кДж/м?*К

Расход топлива

Р - производительность печи по готовому продукту

4. Тепловой расчет экономайзерной зоны

Определяем энтальпию исходного сырья при входе в ЭЗ:

При температуре исходного сырья =20 ?С теплоемкость принимаем

Тепловой эффект эндотермических реакций и фазовых превращений в ЭЗ

Энтальпия отходящих из ЗО газов

При t=526 ?С теплоемкости принимаем:

=1,99 кДж/м?*К

=1,60 кДж/м?*К

=1,31 кДж/м?*К

=1,40 кДж/м?*К

Температура отходящих газов

Температуру отходящих газов определяем методом последовательных приближений.

Первое приближение. Принимаем , тогда теплоемкости равны:

=1,93 кДж/кг*К

=1,565 кДж/кг*К

=1,321 кДж/кг*К

=1,378 кДж/кг*К

=1,022 кДж/кг*К

Второе приближение. Принимаем , тогда теплоемкости равны:

=1,94 кДж/м?*К

=1,57 кДж/м?*К

=1,324 кДж/м?*К

=1,382 кДж/м?*К

=1,022 кДж/м?*К

Окончательно принимаем

5. Тепловой расчет воздухоподогревателя

Энтальпия холодного воздуха при входе в ВП

При температуре холодного воздуха =20 ?С энтальпия =1,265 кДж/м?*К

Энтальпия горячего воздуха на выходе из ВП:

При температуре горячего воздуха =100 ?С энтальпия =1,284 кДж/м?*К

Температура уходящих газов:

Температуру уходящих газов определяем методом последовательных приближений.

Первое приближение. Принимаем

=1,89 кДж/м?*К

=1,55 кДж/м?*К

=1,32 кДж/м?*К

=1,37 кДж/м?*К

=1,02 кДж/м?*К

Теплоемкость уходящего газа:

Второе приближение. Принимаем

=1,87 кДж/м?*К

=1,546 кДж/м?*К

=1,313 кДж/м?*К

=1,359 кДж/м?*К

=1,019 кДж/м?*К

Теплоемкость уходящего газа:



Окончательно принимаем

6. Тепловой расчет зоны регенеративного охлаждения

Энтальпия холодного воздуха при входе в ЗРО:

При температуре холодного воздуха =20 ?С энтальпия =1,265 кДж/м?*К

Энтальпия горячего воздуха на выходе из ЗРО

При температуре горячего воздуха =950 ?С энтальпия =1,408 кДж/м?*К

Температура технологического продукта

Первое приближение. Принимаем , теплоемкость



Окончательно принимаем температуру технологического продукта

=645,5 ?С

7. Материальный баланс теплотехнологического процесса обжига магнезита

Материальный баланс рабочей камеры - состоит из приходной и расходной частей. В приходной части баланса - сухое технологическое сырье , влагосодержание сырья , воздуха и топлива , количество топлива , количество воздуха , поступающего в рабочую камеру для сжигания. В расходной части материального баланса - технологический продукт , отходящие газы , унос .

Таблица

Приход	кг/кгMgo	%	Расход	кг/кгMgO	%
1. Сухое исходное сырьё	2,096	38,94	1. Технологический продукт	1,119	20,79
2. Влага сырья, топлива и воздуха	0	0	2. Унос	0,063	1,17
3. Топливо	0,182	3,38	3. Отходящие газы	4,200	78,04
4. Воздух	3,105	57,68
5. Итого	5,383	100	4. Итого	5,382	100

Влага сырья, топлива и воздуха

Удельный расход топлива

Удельный расход воздуха

Удельный выход отходящих газов

Небаланс:

8. Тепловой расчет рабочей камеры

В установке при сжигании топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Выделившаяся теплота, за вычетом потерь, передается рабочему веществу, в результате получается полезная продукция - технологический продукт.

Основным методом оценки уровня полезного теплоиспользования в теплотехнологической установке является составление теплового баланса. Анализ составляющих теплового баланса позволяет выяснить пути совершенствования энергетической оптимизации установки, определить основные технико-экономические характеристики в целом и отдельных ее элементов или зон.

Таблица

Приход	кДж/кгMgO	%	Расход	кДж/кгMgO	%
1. Химическая теплота топлива	8393,78	97,12	1. Энтальпия технологического продукта	396,97	4,48
2. Энтальпия топлива	6,73	0,08	2. Тепловой эффект эндотермических реакций	5274,17	59,54
3. Энтальпия воздуха	209,81	2,43	3. Химический недожог	251,81	2,84
4. Энтальпия исходного сырья	31,02	0,36	4. Энтальпия отходящих газов и уноса	1409,91	15,92
			5. Потери теплоты через ограждения рабочего пространства	1525,12	17,22
5. Итого	8642,34	100	6. Итого	8857,99	100

Химическая теплота топлива

Энтальпия топлива

Энтальпия воздуха

Энтальпия исходного сырья

Энтальпия технологического продукта

Тепловой эффект эндотермических реакций

Химический недожог

Потери теплоты через ограждения рабочего пространства

Небаланс:

9. Расчет геометрических размеров рабочей камеры шахтной печи

Шахтная известково-обжигательная печь для обжига известняка имеет цилиндрическую шахту высотой 8-10 м. Нижняя часть шахты заканчивается вращающейся вокруг вертикальной оси дробильно-разгрузочной решеткой, или конусной дробилкой, либо многовалковым дробильным аппаратом.

Первичный воздух, необходимый для горения топлива, вводится в печь снизу, через решетку дробильно-разгрузочного устройства или фурмы, а технологическое сырье подается сверху.

Шахтные обжиговые печи имеют реактор переменного поперечного сечения, что обеспечивает равномерное опускание шихтовых материалов без зависания и циркуляций, уменьшения скорости газовых потоков в верхнем и увеличение в нижнем сечении реактора с соответствующей интенсификацией теплообмена внизу и уменьшением выноса пыли вверху.

Рабочее пространство ЗО и ЭЗ имеет форму цилиндра. Площадь его поперечного сечения рассчитывается по напряжению P_S, которое обычно имеет значение 0,12…0,16 кгMgO/(м²•с). Принимаем P_S=0,16 кгMgO/(м²•с)

Площадь поперечного сечения ЗО и ЭЗ:

Внутренний диаметр шахтной печи в пределах зоны обжига и экономайзерной зоны:

Нижнее сечение ЗРО представляет собой квадрат со стороной В, площадь этого сечения принимается равной (0,35…0,40)S

=0,38•9,94=3,78 м²

Площадь среднего сечения ЗРО:

Сжигание топлива в среднем ярусе (при газовом отоплении) ведется в основном потоке воздуха, поднимающегося снизу и нагретого до 800-1000 в результате охлаждения обожженной масс, опускающихся вниз. Поэтому высоту ЗО шахтной печи, отапливаемой природным газом, целесообразно принимать по практическим данным равной L_ЗО=3,5 м.

Высота ЭЗ и ЗРО рассчитывается по продолжительности нагрева технологического сырья в ЭЗ - ф_ЭЗ и охлаждения технологического продукта в ЗРО - ф_ЗРО.

Расчет ф_ЭЗ и ф_ЗРО выполняется в следующей последовательности.

Средние по высоте зоны температуры газов, магнезита, воздуха и технологического продукта.

Средние по высоте зон приведенные скорости газов и воздуха и соответствующие им числа Рейнольдса.

,

где - средний по высоте экономайзерной зоны удельный выход отходящих газов:

м³/кгMgO

м/с

Число Рейнольдса для движения газов в экономайзерной зоне:

где - коэффициент кинематической вязкости газов при , м²/с

м/с

где - коэффициент кинематической вязкости воздуха при м²/с

Основным видом теплообменом в ЗРО и ЭЗ является теплоотдача. Коэффициенты теплоотдачи от газов к поверхности кусков и от поверхности кусков к воздуху при Re>200 определяем по эмпирической зависимости:

Коэффициенты теплоотдачи от газов к поверхности кусков и от поверхности кусков к воздуху при Re>200:

Вт/(м²•К),

где - коэффициент теплопроводности газа при

Вт/(м²•К)

где - коэффициент теплопроводности воздуха при

Далее рассчитываем средние по высоте зон числа Био

где - коэффициент теплопроводности исходного сырья при Вт/(м•К)

где - коэффициент теплопроводности жженой извести при Вт/(м•К)

Находим условную удельную теплоемкость магнезита в ЭЗ с учетом эндотермических эффектов реакции термического разложения MgCO₃ и испарения влаги технологического сырья, кДж/(кг·град):

Находим среднюю по высоте ЗРО удельную теплоемкость периклаза

Продолжительность нагрева магнезита в ЭЗ и охлаждения периклаза в ЗРО находим по формулам:

Высоты экономайзерной зоны, зоны регенеративного охлаждения шахтной печи для обжига магнезита:

Полная высота рабочего пространства шахтной известково-обжигательной печи:

1,25 - коэффициент, учитывающий высоту газового коллектора;

е - порозность плотного слоя кусковых материалов, е ? 0,5.

Наибольшую продолжительность имеет ЗО равную 3,5 м (45% от общей высоты рабочего пространства), где и происходит основной процесс- обжиг магнезита, ЭЗ имеет рабочую протяженность равную 1,1м ( это 19%), ЗРО- 2,8м (36%). Рассчитанная высота рабочего пространства L=7.7 обеспечивает продолжительность нагрева, температуры веществ по зонам установки и требуемые параметры продукта на выходе.

Список использованных источников

1. Кондаков С.А. Теплоэнергетический расчет известково-обжигательной печи. Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности 100700 - "Промышленная теплоэнергетика". Изд. 2-ое, исправ. - Брянск: БГТУ, 2002. - 20 с.

2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. Учебник для вузов. Изд 4-ое., перераб. и доп. - М.:Энергоиздат, 1981. - 416 с.

3. Багров О.Н. и др. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии. Справочник для работников предприятий цветной металлургии. Изд. - Металлургия, 1982. - 456 с.

4. Граменицкий Е.Н. Экспериментальная и техническая петрология. - М.: Научный Мир, 2000. - 416 с.

5. Китаев Б.И. Теплотехнические расчеты металлургических печей. - М.:Металлургия, 1970. - 482 с.

6. Зобнин Б.Ф. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебное пособие для студентов вузов. Изд. 2-ое. М.:Металлургия, 1982. - 360 с.

Размещено на Allbest.ru