Расчет ограждений печи и процесса сжигания топлива при заданных температурных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Задание

Копильник расплава заданного состава имеет площадь сечения AB и высоту в свету H. Высота уровня расплава h.

Для поддержания заданного уровня температуры расплава в рабочем пространстве копильника сжигается органическое топливо заданного состава.

Режим работы копильника - непрерывный.

Расчетная часть.

1. Разработать конструкцию ограждений печи.

2. Рассчитать процесс сжигания топлива при заданных температурных условиях печи.

3. Выбрать и рассчитать сожигательные устройства.

Графическая часть.

1. Чертеж узла установки горелочного устройства на печи.

2. Чертеж узла стыковки свода печи со стеной.

3. Чертеж элемента подины печи.

4. Чертеж элемента кладки вертикальной стены.

Ширина копильника А = 6968 мм

Длина копильника В = 20865 мм

Высота копильника Н = 2900 мм

Высота уровня расплава h = 934 мм

Свод печи - распорно-подвесной

Температура продуктов сгорания = 1521

Температура отходящих газов = 1278

Температура расплава на поверхности - = 1125

Основность расплава О = 3,3

Падение температуры расплава по глубине =105 град./м

Температура наружной стенки под уровнем расплава t_ст.1= 70

Температура наружной стенки над уровнем расплава t_ст.2 = 90

Температура наружной поверхности свода t_св.= 250

Температура наружной поверхности подины t_под.= 110

Температура окружающей среды t_о.с.= 20

Газовая среда внутри копильника кислая

Газообразное топливо состава

Компонент	CO	H2	CH4	C2H6	H2S	CO2	O2	N2
Содержание, % об.	29,0	14,6	0,8	0,1	0,2	5.0	0.2	50.1

2. Конструирование ограждений печи

2.1 Расчет вертикальной стены над уровнем расплава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определяем материал и толщину рабочего слоя ограждения: согласно исходным данным рабочий слой в этой зоне имеет температуру внутренней поверхности , (по таблице 2.1[1] принимаем коэффициент расхода воздуха n=1,15), работает без теплосмен. По данным таблицы 3.7[1] выбираем форстеритовый огнеупор и определяем его рабочие свойства: коэффициент теплопроводности л₁=3,5 - 186*10^-5T, Вт/(м*К) и предельную рабочую температуру T_пр=1700^оС. H - h = 2.9 - 0.934 = 1.966 м. По таблице 3.14[1] определяем толщину рабочего слоя д₁=0,230, м.

По таблице 3.13[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности верхней части стен в окружающую среду при T_ст1=90^оС: q_ос=984Вт/м².

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя T₁, приняв температуру его внутренней поверхности .

Для определения л₁ задаёмся предварительно значением:

Тогда:

Определяем уточнённое значение :

єС;

Относительная погрешность расчёта:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Окончательно принимаем:

Приступаем к конструированию теплоизоляции ограждения, принимая предварительное решение выполнить ее двухслойной, предусмотрев в качестве материала второго слоя огнеупор-легковес и третьего слоя - теплоизоляционный материал. По приложению 14 [1] с учетом таблицы 3.10 [1], принимаем к установке во втором слое шамотный легковес ШЛА-1,3 со следующими рабочими свойствами:

В качестве теплоизоляционного материала для третьего слоя по приложению 14 [1] выбираем шамотный ультралегковес ШЛ-0,4 со следующими рабочими свойствами:

Принимаем температуру на внешней границе второго слоя :

Толщина второго слоя д₂ легковеса:

Выбираем толщину второго слоя:. Уточняем температуру на внешней границе второго слоя:



Окончательно получаем:

Определяем толщину третьего слоя

Принимаем толщину третьего слоя и находим температуру на его наружной поверхности:

По принятой толщине третьего слоя уточняем значения и :

Определяем относительную погрешность расчета:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Определяем относительную погрешность расчета:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Определяем относительную погрешность расчета:

Окончательно получаем:

Для обеспечения заданной температуры наружной поверхности стен необходимо выложить четвертый слой ограждения. По приложению 15[1] воспользуемся асбузурит мастичный со следующими рабочими свойствами:

По формуле определяем толщину четвертого слоя:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную стенку в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина вертикальной стены над уровнем расплава:

2.2 Расчет вертикальной стены под уровнем расплава

Определяем материал и толщину рабочего слоя ограждения с учетом заданной основности расплава О = 3.3. Согласно табл. 3.8[1] расплав является ультраосновным. Температура внутренней поверхности рабочего слоя равна температуре расплава , высота стены 2,9м. По данным табл. 3.7[1] выбираем из табл. 8.3[2] форстеритовый огнеупор со следующими рабочими свойствами:

Толщина рабочего слоя по данным табл. 3.14[1] равна 0,345м.

По табл. 3.14[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности нижней части стен в окружающую среду при t_cт1=70єС:

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя.

Задаемся приближенным значением

. Тогда

Уточняем значение :

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим:

Окончательно принимаем:

Перед выбором материала второго слоя, учитываем, что суммарная толщина нижней части стены не может быть меньше суммарной толщины ее верхней части. По приложению 14 [1], принимаем к установке во втором слое шамотный легковес ШКЛ-1.0 со следующими рабочими свойствами:

Принимаем температуру на внешней границе второго слоя :

Толщина второго слоя д₂ легковеса:

Выбираем толщину второго слоя:. Уточняем температуру на внешней границе второго слоя:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :



Окончательно принимаем:

В качестве теплоизоляционного материала для третьего слоя по приложению 14 [1] выбираем шамотный ультралегковес ШЛ-0,4 со следующими рабочими свойствами:

Определяем толщину третьего слоя

Принимаем толщину третьего слоя и находим температуру на его наружной поверхности:



По принятой толщине третьего слоя уточняем значения и :

Определяем относительную погрешность расчета:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив :

Окончательно получим:

В качестве материала четвертого слоя по приложению 15 [1] принимаем к установке асбазурит мастичный со следующими свойствами:

,

Определяем толщину слоя:

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную стенку в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина вертикальной стены под уровнем расплава:

2.3 Расчет свода

Так как свод копильника - распорно-подвесной и внутренняя поверхность рабочего слоя свода контактирует с кислой (n = 1,15) газовой средой, по приложению 13[1] и табл. 3.7[1] целесообразно выбрать хромитопериклазовый огнеупор и по приложению 13[1] определяем его рабочие свойства: коэффициент теплопроводности л₁=2,04 - 38,4*10^-5T, Вт/(м*К) и предельную рабочую температуру T_пр=1700^оС. Из конструктивных соображений принимаем .

По табл. 3.13[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности свода в окружающую среду при :

=5380 Вт/м²

Находим температуру наружной поверхности рабочего слоя Т₁, приняв

. Тогда

Определяем уточненное значение

==703,7 єС

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Так как относительная погрешность расчета очень большой, проводим новую итерацию, положив :

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим:

Так как относительная погрешность расчета больше допустимой (5%), то проводим новую итерацию, положив

Сопоставляем последующее приближение с предыдущим:

Окончательно принимаем:

По таблице 9.2.[2] выбираю в качестве теплоизоляционного слоя каолиновую вату 2…8 мкм со следующими рабочими свойствами:

=1100єС

Определяем толщину слоя теплоизоляции:

=0,013 м

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированный двухслойный свод в окружающую среду:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина свода:

2.4 Расчет подины

Внутренняя поверхность рабочего слоя подины копильника контактирует с основным расплавом. При высоте расплава 0,934 м и падении его температуры по глубине 105 град./м находим температуру расплава на поверхности рабочего слоя подины:

По табл. 8.3[2] и табл. 3.7. [1] выбираем в качестве рабочего форстеритовый огнеупор со следующими свойствами:

Толщину рабочего слоя принимаем равной 0,345 м.

Поскольку =110 єС, по таблице 3.13.[1] определяем плотность теплового потока от наружной поверхности подины к слою огнеупорного бетона фундамента: Вт/м²

Определяем температуру наружной поверхности рабочего слоя , приняв =

=821,54єС

Вт/(м·К)

Определяем уточненное значение :

==854,91 єС

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Окончательно принимаем:

Для обеспечения механической прочности и герметичности подины в качестве материала второго слоя по приложению 13 [1] выбираем шамотный огнеупор ШВ со следующими рабочими свойствами:

=1250…1400 єС

Принимаем толщину слоя шамота =0,345 м (5 кирпичей на плашку) и определяем температуру наружной поверхности слоя шамота Т₂. Для этого задаем и определяем значение :

Вт/(м·К)

Уточняем значение Т₂:

= 482,209 єС

Сопоставляем расчетное значение с принятым значением :

Окончательно принимаем:

Для обеспечения заданной температуры наружной поверхности подины t_под=110єС между наружной поверхностью второго слоя подины и поверхностью огнеупорного бетона фундамента необходимо положить дополнительный теплоизоляционный слой. Для этого по приложению 15[1] принимаем диатомитовую обожженную крошку в засыпке со следующими рабочими свойствами:

= 900 єС

Определяем толщину слоя теплоизоляции:

=0,064 Вт/(м·К)

Проверяем правильность расчета, определяя значение плотности теплового потока, переносимого через сконструированную многослойную подину:

;

Проверяем степень расхождения с принятым в расчетах значением q:

Суммарная толщина подины:

3. Расчет процесса сжигания топлива

Минимальное (теоретическое) количество воздуха, необходимое для полного сжигания одного кубометра газообразного топлива (при ):

Определяем объем продуктов сгорания:

Так как сжигание газообразного топлива ведется в горелке без предварительного смешения с (по табл. 2.1[1]), определяем действительный расход воздуха и объем продуктов сгорания:

Определяем действительный объем продуктов сгорания:



Выполняем проверку:

Определяем ошибку:

Рассчитываем низшую теплоту сгорания газообразного топлива заданного состава:

Определяем удельную энтальпию продуктов сгорания при n =1,15 и отсутствии предварительного подогрева топлива и воздуха:

Рассчитываем калориметрическую температуру горения, соответствующую заданной по условию действительной температуре горения = 1521, принимая эмпирический пирометрический коэффициент равным 0,78:

.

Расчет удельной энтальпии 3-атомных газов по приложению 8 [1] при Т_К:

Расчет удельной энтальпии азота по приложению 8 [1] при Т_К:

Расчет удельной энтальпии кислорода по приложению 8 [1] при Т_К:

Расчет удельной энтальпии водяного пара по приложению 8 [1] при Т_К:

Расчёт удельная энтальпия продуктов сгорания при Т_К:



Для принятия решения подогревать воздух или нет, сопоставляем полученное значение удельной энтальпии продуктов сгорания при калориметрической температуре с полученным ранее значением :

>- это значит, что обеспечить заданную температуру продуктов сгорания можно только при условии ввода в зону горения дополнительного количества тепла путём подогрева воздуха до T_В, при которой удельная энтальпия воздуха:

По приложению 8[1] нахожу температуру воздуха, соответствующую значению i_В:

Для достижения заданной температуры продуктов сгорания, сжигание газа при коэффициенте расхода воздуха n=1,15 необходимо производить в воздухе, подогретом до температуры =308,96

4. Расчет теплового баланса

Для нашего случая потери тепла в окружающую среду состоят из потерь тепла через ограждения печи и с отходящими газами. Определяем потери тепла через ограждения копильника:

Площадь вертикальных стен над уровнем расплава:

м²

Площадь вертикальных стен под уровнем расплава:

м²

Площадь подины:

=145,387 м²

Площадь распорного свода:

м²

Потери тепла в окружающую среду:

= 1151505,19Вт

1151,505 кВт

Для определения потерь тепла с отходящими газами находим расход топлива:

По приложению 8 [1] определяем удельную энтальпию компонентов продуктов сгорания при температуре отходящих газов = 1278:

=

=2952,469 кДж/м³

=1822,984 кДж/м³

=2281,979 кДж/м³

=1930,126 кДж/м³

Действительный объем продуктов сгорания:

=0,352 м³/ м³

=1,533м³/ м³

=0,188 м³/ м³

0,0358 м³/ м³

==

=2100,88кДж/м³

Отсюда расход топлива:

= 0,39 м³/с = 1404 м³/ч

Потери тепла с отходящими газами:

кВт

кВт

кВт;

Q_В=0,39*2100,88=819,34 кВт

Тепловой баланс печи

Приход тепла	Расход тепла
№ статьи	Статья	Q, кВт	%	№ статьи	Статья	Q, кВт	%
1	Тепло сгорания топлива	2194,84	87,66	1	Тепло в окружающую среду	1151,505	45,99
				2	Тепло отходящих газов	1289,49	51,5
2	Тепло воздуха	308,96	12,34
				3	Невязка баланса	62,805	2,51
3	Всего	2503,8	100	4	Всего	2503,8	100

5. Расчет сожигательного устройства

Дано:

Расход топлива: В=1404м³/ч = 0,39м³/с

Теплота сгорания топлива: Q^р_н=кДж/м³

Действительное количество воздуха необходимое для сжигания 1м³ газа: V^д_в=1,305 м³/м³

Плотность воздуха при н.у.: с⁰_в=1,293 кг/м³

Избыточное давление газа перед горелкой: P'_г=5300 Па

Избыточное давление воздуха перед горелкой: P'_в=500 Па

Температура газа на входе в горелку Т_г=293 К

Температура воздуха на входе в горелку Т_в=581,96 К

Коэффициент расхода воздуха n=1,15

Коэффициент гидравлического сопротивления газового канала горелки (для горелок типа «труба в трубе») о_г=1,5

Коэффициент гидравлического сопротивления воздушного канала горелки (для горелок типа «труба в трубе») о_в=1

Плотность газа при н.у. находим по формуле (стр.11 [1]):

Так как ширина печи 6968 мм, принимаем решение установить 2 диффузионные горелки типа “труба в трубе”.

Находим расход топлива на одну горелку

м³/с.

Определяем расход воздуха при нормальных условиях:

м³/м³

Определяем приведенные к нормальным условиям скорости истечения газа и воздуха в выходном сечении:

м/с

м/с

Рассчитываем площади выходных сечений газового и воздушного каналов:

Определяем диаметр выходного сечения газового канала:

Принимая по табл. 2.2[1] скорость газа определяем внутренний диаметр газового канала:

Определяем наружный диаметр газового канала внутри горелки (при толщине стенки ):

Определяем диаметр воздушного канала:

Принимая по табл. 2.2[1] приведенную к нормальным условиям скорость газовоздушной смеси в носике горелки , определяем площадь сечения носика горелки:

Определяем диаметр носика горелки:

Определяем температуру смеси на выходе из носика горелки:

Ї объёмная доля воздуха в смеси при н.у.:

Ї удельная энтальпия природного газа при Тг=20 ⁰С

i_г? 35 кДж/м³

Ї удельная энтальпия воздуха при Тв= 308,96 ⁰С по прил.8 [1]:

i_в= 407,67 кДж/м³

Ї удельная энтальпия смеси:

i_см=б* i_в + (1-б)* i_г=0,566*407,67+(1 - 0,566)*35=245,93 кДж/м³

Ї удельная энтальпия смеси при =100 ^oC(по прил. 7 и 8)

кДж/м³

Ї удельная энтальпия смеси при =200 ^oC(по прил. 7 и 8)

кДж/м³

Ї температура смеси

Находим действительную скорость смеси на выходе из носика горелки:

Определяем длину факела (при К=1,5 для природного газа):



Определяем максимальный диаметр факела:

С учетом рассчитанных диаметров носика горелки и газового сопла по приложению 9 [1] выбираем горелку ДВБ-200/59.

Т.к факел короткий, то принимаю решение разместить горелку на торцевых стенах печи в шахматном порядке с отводом продуктов сгорания через центр свода.

Таким образом, факел перекрывает:

длины копильника

Заключение

Сжигание топлива осуществляется с предварительным подогревом воздуха до температуры Т_в = 308,96 °С с коэффициентом расхода воздуха n=1,15.

Результат расчета теплового баланса и расхода топлива:

Расход топлива В = 0,395 м³/с.

Результат расчета сожигательного устройства:

Принимаются к установке 2 диффузионные горелки типа “труба в трубе”

ДВБ-200/59, со следующими размерами:

Диаметр выходного сечения газового канала

Внутренний диаметр газового канала

Наружный диаметр газового канала внутри горелки

Диаметр воздушного канала

Диаметр носика горелки .

Список литературы

1) Теплотехника: расчет и конструирование элементов промышленных печей, Сборщиков Г. С., Крупенников С. А., издательство «Учеба», Москва, 2004 г.

2) Теплотехника металлургического производства т.2, Кривандин В. А., Арутюнов В. А., Белоусов В. В. и др., издательство «МИСИС», Москва, 2002

3) Металлургические печи: атлас, Миткалинный В. И., Кривандин В. А. и др., издательство «Металлургия», Москва, 1987 г.

Размещено на Allbest.ru