Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Характеристика объекта исследования
• 1.1 Состав печи
• 1.2 Устройство и работа печи и ее составных частей
• 1.2.1 Собственно печь
• 1.2.2 Оборудование для транспортирования металла и удаления окалины
• 1.2.3 Газопроводы и горелки
• 1.2.4 Мазутопроводы, паропроводы и форсунки
• 1.2.5 Удаление продуктов сгорания
• 1.2.6 Водоохлаждение элементов печи
• 1.3 Конструктивные недостатки работы системы регенерации тепла печи и задачи, требующие решения при реконструкции
• 1.4 Основные технические решения, принятые в проекте
• 2. Расчетно-теоретическая часть
• 2.1 Расчет горения топлива до реконструкции
• 2.2 Тепловой расчет рекуператора до реконструкции
• 2.3 Тепловой расчет рекуператора после реконструкции
• 2.5 Проверочный расчет рекуператора после реконструкции
• 3. Организационно-экономическая часть
• 3.1 Расчет капитальных вложений при реконструкции печи
• 3.2 Калькуляция себестоимости продукции
• 3.3 Расчет экономического эффекта
• 3.4 Расчет срока окупаемости
• 4. Безопасность жизнедеятельности
• 4.1 Анализ условий труда при эксплуатации методических печей
• 4.2 Меры по обеспечению здоровых и безопасных условий труда
• 4.3 Расчет аэрации участка нагревательных печей ЛПЦ-2
• 4.4 Меры по обеспечению устойчивости работы ЛПЦ-2 в условиях чрезвычайных ситуаций
• 5. Экологическая часть
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение 1
• Приложение 2
• Анализ себестоимости продукции
• Фактическое производство - 125000 т/мес.

Введение

Нагревательные и термические печи металлургической и машиностроительной индустрии считаются практически основными потребителями топлива в нашей стране, при этом в них, как правило, используют более ценное топливо: мазут и газ. В большинстве случаев промышленные печи работают с довольно низким термическим к. п. д., величина которого в производственных критериях чаще всего не более 20-30 %, т. е. в 3-4 раза меньше, чем, к примеру, к. п. д. современных парокотельных установок. Низкий термический к. п. д. промышленных печей объясняется в основном довольно большими потерями тепла с отходящими дымовыми газами, достигающими временами 50-65 % от количества тепла, подведенного в печь.

Наилучшим способом увеличения термического к. п. д. печей, а, следовательно, и экономии топлива считается возврат в печь определенной части тепла, которое находится в отходящих дымовых газах, подогревом в рекуператорах воздуха, которое применяется для горения топлива, а также подогревом горючего газа.

Подогрев воздуха не только обеспечивает экономию топлива, но и увеличивает температуру продуктов сгорания топлива, что помогает ускорению процессов нагрева металла в печах и делает возможным использование новых способов нагрева металла - скоростного, безокислительного, открытым пламенем и др. Печи, предназначенные для работы при высокой температуре рабочего пространства и требующие использование высококалорийного топлива, при установке рекуператоров могут работать на менее качественном (местном) топливе, не снижая при этом производительность и ухудшение технологических условий нагрева.

В промышленности используют керамические и металлические рекуператоры, причем последние имеют немаловажные преимущества перед керамическими и их используют в промышленности все в больших масштабах.

Задача выпускной квалификационной работы - увеличение температуры подогрева воздуха за счет увеличения поверхности нагрева и оценка экономической эффективности предложенных мероприятий.

1. Характеристика объекта исследования

1.1 Состав печи

В состав печи - агрегата для нагрева слябов входят:

· собственно печь с футеровкой, поддерживающим ее каркасом, скрепленным с фундаментами;

· система транспортирования металла;

· система удаления окалины;

· система газопроводов с горелками;

· система мазутопроводов с форсунками и паропроводами, система воздуховодов с вентиляторами и рекуператорами для подогрева воздуха;

· система удаления продуктов сгорания с котлами-утилизаторами и дымовой трубой;

· система водоохлаждения элементов печи;

· система автоматического регулирования, сигнализации и теплового контроля печи.

1.2 Устройство и работа печи и ее составных частей

1.2.1 Собственно печь

считается примененное в первый раз в российской практике нижнее отопление, которое идет в дополнение к верхнему для обогрева слябов как сверху, так и снизу.

Печь содержит 10 зон регулировки подачи топлива, в т.ч. 5 сверху и 5 снизу. Горелки находятся: над металлом - в торцевых стенках, под металлом - в обеих продольных боковых стенках.

Печь по длине содержит пять участков. Первый со стороны загрузки - участок постепенного (методического) нагрева слябов, неотапливаемый, обогревается продуктами сгорания, уходящими из других участков печи. Дальше по ходу металла - участок первого форсированного подогрева слябов имеет в верхней (зона 1) и нижней (зона 2) частях по одной зоне подачи топлива. Следующий - участок второго форсированного нагрева также содержит в верхней (зона 3) и нижней (зона 4) частях по одной зоне подачи топлива. Четвертый - участок нагрева слябов до конечной температуры поверхности имеет аналогичные верхнюю (зона 5) и нижнюю (зона 6) зоны подачи топлива. Конечный пятый, ближний к стороне выдачи - томильный участок, предназначен для выравнивания температуры по сечению слябов. В необходимых случаях на участке возможно догревание слябов до конечной температуры поверхности с последующим выравниванием температуры по сечению. Участок содержит по ширине печи две верхних и две нижних зоны подачи топлива: левые и правые (зоны 7л, 7п вверху и 8л, 8п внизу), что облегчает нагрев слябов с требуемым по условиям прокатки распределением температуры по их длине.

Кладка рабочего пространства печи запроектирована из каолинового и хромомагнезитового кирпича; для изоляции применен шамотный легковесный и диатомовый кирпич. Горелочные амбразуры и рабочие окна в стенках печи выкладываются огнеупорными фасонными блоками. Свод печи - подвесной, устанавливается из специальных фасонных кирпичей. Подина печи выкладывается хромомагнезитовым кирпичом. Отверстия в подине, сквозь которые пропущены трубы подвижных балок, имеют ограждения из плит, отлитых из жаростойкой стали. Под отверстиями в подине поставлены водяные затворы, предотвращающие подсос в печь внешнего воздуха.

Благоприятные санитарные условия при обслуживании печи обеспечены мероприятиями, предусмотренными для защиты рабочих мест от тепловыделений: на боковых стенках печи поставлены водоохлаждаемые экраны, площадки над сводом и заслонки на окнах загрузки и выдачи выполнены водоохлаждаемыми. Учтена обдувка рабочих мест на нижних площадках холодным воздухом.

1.2.2 Оборудование для транспортирования металла и удаления окалины

Особенностью печей считается то, что в них будет осуществлена транспортировка слябов с помощью шагающих балок, представляющих собой систему из двух групп водоохлаждаемых подовых труб: подвижных и неподвижных.

Неподвижные балки прикреплены к подподовым балкам каркаса печи, подвижные балки прикреплены к верхней подвижной раме механизма подъема и передвижения пода. Подовые балки запроектированы на испарительном охлаждении и изолированы теплоизоляционными блоками. На горизонтальных участках продольных труб подвижных и неподвижных балок установлены рейтеры из жаропрочной стали, на которые опираются слябы при транспортировке по печи. Рейтеры имеют длину 150 мм и приварены на трубы с шагом порядка 400 мм, что предотвращает охлаждение нагреваемых слябов трубами и обеспечивает равномерный прогрев нижней поверхности слябов.

Сталкиватель с электроприводом перемещает слябы с рольганга загрузки на неподвижные балки печи. Ход сталкивателя от оси рольганга в сторону окназагрузки печи: расчетный - 3520 мм, максимальный - 3800 мм. Обе заслонки окна загрузки (по одной на каждый ряд) поднимают и опускают с помощью электродвигателей мощностью по 5 кВт. Высота подъема заслонок 650 мм.

По печи слябы передвигают шагающими балками с гидравлическими приводами вертикального и горизонтального движения. Шагающие балки приподнимают слябы с неподвижных балок, переносят их вперед и опускают на неподвижные балки. Время подъема балок на 200 мм из самого нижнего положения составляет порядка 16 сек. Скорость подъема балок определяется расходом масла, нагнетаемого насосами. Время горизонтального перемещения нагруженных балок на один шаг 480 мм составляет порядка 12 сек. Опускание балок на полный ход 200 мм происходит под их собственным весом (? 1000 т) за 19 сек. Скорость опускания определяется настройкой вентилей на сливе масла системы вертикального перемещения балок. Время обратного горизонтального перемещения разгруженных балок на 480 мм в исходное положение составляет 9 сек. Общее время одного цикла шагания составляет 16+12+19+9=56 сек. Для движения сляба по печи на длину, равную его ширине требуется для самого узкого сляба (750 мм) около двух минут. Для самого широкого (1850 мм) около 4 минут.

На рольганг выдачи слябы выносят из печи штангами механизма поштучной выдачи (приема слябов) с электродвигателями. Ход штанг механизма от оси рольганга выдачи в сторону торцевого окна выдачи печи - 5000 мм.

Обе заслонки окна выдачи поднимают и опускают с поддержкой электродвигателей мощностью по 5 кВт. Максимальная высота подъема заслонок - 1280 мм, промежуточная - 760 мм.

Пропускная способность системы транспортирования слябов через печь имеет сравнительно небольшой запас по отношению к производительности, определяемой по максимальному напряжению активного пода: для слябов холодного посада (800 кг/м²•ч) - при их толщине более 185 мм. Для слябов горячего посада (1000 кг/м²•ч) - при их толщине более 215 мм. При меньшей толщине слябов максимальная производительность печи будет лимитирована пропускной способностью системы транспортирования металла сквозь печь.

Оборудование и механизмы подъема и передвижения подвижных подовых балок находятся ниже металлоконструкций пода печи. В особом помещении между печами в подвале на отметке минус 9,2 м размещена маслонасосная станция гидравлического привода устройств печей. На две печи установлено 12 рабочих и 4 запасных насоса. Производительностью по 200 л/мин., давлением 320 ати с электродвигателями мощностью по 110 кВт. Кроме того в станции находятся две насосные установки производительностью по 125 л/мин, давлением 25 ати с электродвигателями по 7,5 кВт, работающие в системе фильтрации охлаждения и откачки масла из гидросистемы на склад масел и две такие же установки (одна из них резервная), предназначенные для сбора утечек масла от гидроаппаратуры и перекачки в основной резервуар. А также для слива масла из системы. В маслонасосной расположена контрольно-регулирующая и гидравлическая аппаратура и шкаф управления с кнопками для запуска и остановки насосов. В помещении маслонасосной станции учтена приточно-вытяжная подача кондиционированного воздуха.

Окалину, опадающую со слябов на под печи достают через боковые окна и выбрасывают в желоба, которые установлены вдоль обеих боковых сторон печи. Из желобов окалину водой смывают под рольганг выдачи. Окалина, которая просыпается через отверстия в поду для прохода стояков подвижных балок, попадает в окалиносборники, которые вмонтированы в водяные затворы, откуда ее выбрасывают под рольганг загрузки при помощи конвейеров с погруженными скребками. Оба конвейера (по одному на каждый ряд печи), приводятся в движение электродвигателями мощностью по 5 кВт.

1.2.3 Газопроводы и горелки

На отводе от цехового газопровода к печи установлены две отсекающие газ электрифицированные задвижки диаметром 1000 мм. Между ними расположены: люк для чистки и осмотров газопровода, свечи проветривания (в верху газопровода) и продувочная (перед второй задвижкой) с кранами и штуцерами для отбора проб газа с кранами и пробками, измерительная диафрагма с импульсными линиями и кранами к расходомеру газа на печь, отвод к временным горелкам с задвижками и уплотнительной свечей с краном, штуцер с краном для замера давления, штуцер с краном для пропарки. Между общецеховым коллектором газа и первой электрифицированной задвижкой на отводе к печи предусмотрен фланцевый разъем для установки заглушки на период строительства печи.

За второй по ходу газа электрифицированной задвижкой предусмотрена установка заглушки на время ремонтов, а при работе основных горелок - установка кольца. Далее расположен люк для проветривания печного газопровода с заглушкой и общий печной газовый коллектор с отводами на зоны.

На каждом зональном газопроводе расположены: измерительная диафрагма к зональному расходомеру газа и регулировочный поворотный клапан с исполнительным механизмом узла регулирования соотношения воздух-топливо в зоне (проект фирмы Siemens), отсечной (аварийный) поворотный клапан, газовый коллектор с отводами к горелкам, продувочные свечи в тупиках газового коллектора с кранами. До и после крана на свече предусмотрены штуцеры с кранами для отбора проб газа при продувках и для подключения временных приборов (манометров) при пуске газа и наладке печи.

В верхних зонах установлены нормализованные дутьевые горелки Стальпроекта типа «труба в трубе» (ДВБ) диаметром носика 225, 250 и 275 мм. Горелки расположены в торцевых стенах верхних зон с наклоном в сторону нагреваемых слябов: в зонах 1, 3 и 5 под углом 15 °, в зонах 7л и 7п - 30 °.

В нижних зонах установлены горелки с регулируемой длиной факела диаметром носика 375 и 420 мм. Горелки расположены горизонтально в обеих боковых стенах нижних зон. Такие горелки специально сконструированы Стальпроектом применительно к установке в боковых стенах широких печей с шагающими балками.

Горелка имеет два подвода газа. При подаче газа только по центральной трубе с одним выходным отверстием факел получается максимально растянутым; при подаче газа только по наружной трубе с шестью выходными отверстиями факел укорачивается. Пропускная способность горелок по газу относится к случаю подачи газа только по одному из подводов, центральному или наружному. Отстройка задвижек на подводах газа к горелке позволяет получить факел требуемой длины. Изменение расхода газа на зону почти не сказывается на равномерности нагрева по длине сляба, не вызывая сильных перегревов торцов слябов со стороны горелок при задержках металла во время простоев стана.

На каждом отводе к горелкам верхних зон установлено по две отсекающих задвижки, между которыми расположена уплотнительная свеча с краном. Уплотнительные свечи перед горелками зоны объединены в одну отводную свечу.

На каждом отводе к боковым горелкам нижних зон 2, 4 и 6 установлено по три отсекающих задвижки. Одна из них общая на оба подвода газа, две другие расположены по одной на каждом подводе. Между общей задвижкой и двумя другими расположена уплотнительная свеча с краном. Уплотнительные свечи перед горелками зоны с обеих сторон печи объединены в общую отводную свечу. На отводах к каждой горелке нижних зон 8п и 8л установлено еще по одному поворотному клапану, позволяющему легче отстраивать распределение газа по горелкам зоны.

Для проведения сушки и равномерного разогрева печи после строительства, а также после серьезных капитальных ремонтов предусмотрена установка временных диффузионных горелок в нескольких местах печи.

1.2.4 Мазутопроводы, паропроводы и форсунки

Мазут для печи является резервным топливом. Предусмотрена возможность полного перевода всей печи на мазутное отопление, также возможность совместного сжигания в печи газа и мазута, при котором одни зоны отапливаются только газом, другие - только мазутом.

При совместном сжигании зоны 7п, 7л, 8п и 8л, а также другие нижние зоны должны быть оставлены на газовом отоплении.

К печи предусмотрен подвод из общецехового мазутного коллектора подогретого мазута давлением 6 ати, а также подвод из общецехового парового коллектора пара давлением 12 ати. Аппаратура на подводах мазута и пара к печи и на подводах к каждой зоне регулирования температуры спроектирована фирмой Siemens и показана в чертежах этой фирмы. На каждом зональном мазутопроводе эта аппаратура включает: фильтр тонкой очистки, регулятор давления, расходомер, манометр, регулирующий кран с исполнительным механизмом, связанным с регулятором соотношения «воздух-топливо» в зоне. Подача мазута к форсункам при нормальной работе осуществляется по подводу с перечисленной аппаратурой, а в необходимых случаях по обводной линии. Вдоль каждой группы форсунок расположен мазутный коллектор, на котором кроме отводов к форсункам предусмотрен штуцер с краном для подсоединения манометра, гильза для установки термометра, штуцер с краном и пробкой в тупиковой части для спуска мазута в необходимых случаях. Параллельно всей мазутопроводной линии и мазутному коллектору в общей с ними изоляции проложен паропровод и соответственно паровой коллектор с отводами к форсункам. От тупиков паровых коллекторов отведены линии для спуска конденсата, перекрываемые вентилями. В конце линий установлены конденсатоотводчики. Общие в двух случаях на две и в двух на три зоны.

Чтобы через линии для отвода конденсат не перетекал из зоны в зону на каждой отводной линии перед конденсатоотводчиком установлен обратный клапан.

На стороне нагнетания каждого вентилятора установлено по одному отсекающему поворотному клапану диаметром по 2500 мм с приводами от исполнительных механизмов узла регулирования давления воздуха. Клапаны служат также для отключения вентилятора от стороны нагнетания в случае остановки одного из двух вентиляторов.

К горелкам воздух подают подогретым до 300-400 °C в металлических рекуператорах, расположенных в отводящих от печи дымоходах по обе стороны загрузочной части печи. Рекуператор трубчатый, петлевой.

Продукты сгорания проходят между трубками горизонтально за один ход. Нагреваемый воздух проходит внутри трубок вертикально. Рекуператор с каждой стороны печи набран из 8 двухоборотных по воздуху секций. Вдоль хода продуктов сгорания расположено две секции в четыре ряда. В первой секции со стороны входа продуктов сгорания направление воздуха перекрестно-прямоточное, во второй секции перекрестно-противоточное по отношению к направлению продуктов сгорания.

Каждая секция состоит из 63 трубы диаметром (наружным) 89 и 76 мм. Трубы выполнены из жаростойких сталей Х23Н18 и 08Х17Т.

На стороне входа в рекуператоры холодного воздуха воздухопроводы от обоих вентиляторов соединены перемычкой, на которой установлен отсекающий поворотный клапан диаметром 1800 мм. На выходе из обоих рекуператоров подогретый воздух собирается в общий воздушный коллектор с отводами по зонам регулирования температуры печи.

Для защиты рекуператора от перегрева при сокращении потребления воздуха предусмотрен сброс избыточного подогретого воздуха от воздушного коллектора в дымоходы после каждого рекуператора. На сбросных воздуховодах, расположенных с обеих сторон каждого дымохода установлены отсекающие клапаны диаметром по 550 мм с исполнительными механизмами, связанными с регуляторами температуры нагрева воздуха.

Все воздухопроводы подогретого воздуха от рекуператоров до горелок футерованы изнутри диатомовым кирпичом.

На каждом подводе к зоне на прямом участке достаточной длины установлена измерительная диафрагма с импульсными трубками к зональному расходомеру воздуха; внутренний условный диаметр воздухопроводов в местах расположения диафрагм равен: на зонах 1-6 - 400 мм, зонах 8п и 8л - 250 мм, зонах 7п и 7л - 200 мм. Из зональных воздухопроводов отведены также импульсные трубки к узлам сигнализации и отсечки газа при аварийном падении давления воздуха.

Перед каждым зональным воздушным коллектором с отводами к горелкам установлены поворотные регулировочные клапаны с исполнительными механизмами узлов регулирования температуры в зоне.

В тупиках зональных коллекторов предусмотрены продувочные патрубки с кранами для продувок воздухопроводов после внезапных остановок вентиляторов при работе на газовом отоплении.

На каждом отводе к горелкам верхних зон установлено по одному поворотному клапану с ручным управлением для отключения или подрегулировки подачи воздуха в горелку. На каждом отводе к горелкам нижних зон установлено по два поворотных клапана: один, расположенный ближе к горелке с ручным управлением, другой с дистанционным управлением от исполнительного механизма.

Расчетное сопротивление различных участков воздухопроводов при максимальном расходе воздуха (340000 м³/ч) и максимальной температуре нагрева воздуха (400 °C) составляет примерно:

· тоннель дымопровода до вентиляторов - 160 мм вод. ст.;

· участки от вентиляторов до рекуператоров (регулировочные клапаны открыты, отсечной клапан на перемычке закрыт) - 100-190 мм вод. ст.;

· рекуператоры - 400-500 мм вод. ст.;

· прямые участки до и после измерительной диафрагмы - 110 мм вод. ст.;

· измерительная диафрагма - 80 мм вод. ст.;

· регулирующий клапан (открыт0 - 150-200 мм вод. ст.;

· коллектор и отводы до горелок (клапаны перед горелками открыты) - 40 мм вод. ст.;

· горелки - 200 мм вод. ст.

1.2.5 Удаление продуктов сгорания

Продукты сгорания отводят из печи в стороне загрузки по двум горизонтальным дымоходам с расположенными в них с каждой боковой стороны металлическими рекуператорами для нагрева воздуха. После рекуператоров продукты сгорания опускаются по вертикальным дымоходам, а затем по круглым футерованным дымопроводам внутренним диаметром по 3612 мм. Под печью на горизонтальных участках круглых дымопроводов расположены 2 поворотных регулировочных клапана (по одному на каждую сторону печи) диаметром 3500 мм с исполнительными механизмами узла регулирования давления в печи. Для снижения в необходимых случаях температуры в дымопроводах перед дымовыми клапанами предусмотрены патрубки для подсоса наружного воздуха в дымопровод, перекрытые поворотными клапанами.

Продукты сгорания собирают под печью в общий круглый дымопровод внутренним диаметром 5952 мм и направляют далее к двум котлам-утилизаторам КУ-150 с расположенными за ними дымососами. Дымососы выбрасывают продукты сгорания в общую на две печи дымовую железобетонную трубу высотой 150 м внутренним диаметром в устье 8,4 м.

Предусмотрена возможность поступления продуктов сгорания непосредственно в дымовую трубу минуя котлы-утилизаторы в случае их одновременного ремонта. Возможно также одновременное поступление продуктов сгорания в трубу и к одному котлу при ремонте другого котла или к обоим котлам в случае, если при максимальном расходе топлива тяга, создаваемая дымососами котлов, окажется недостаточной для нормальной работы печи. Для соответствующего направления продуктов сгорания и отключения котлов служат подъемные шиберы с электроприводом. Мощность электродвигателя шибера перед дымовой трубой - 5 кВт, шиберов перед котлами-утилизаторами - по 2,2 кВт. Чтобы исключить перегрев шибера и дымовой трубы при направлении продуктов сгорания к ней минуя котлы утилизаторы предусмотрен патрубок с клапаном для разбавления продуктов сгорания наружным воздухом.

Для устранения нерегулируемых подсосов окружающего воздуха круглые дымопроводы герметизированы металлическим кожухом. Для возможности свободного удлинения при нагреве кожух имеет линзовые компенсаторы и подвижные опоры.

Часть вентиляторного воздуха сбрасывается в дымоходы после рекуператоров для предохранения его трубок от перегрева при сокращении потребления воздуха печью.

Дымопровод от печи до котлов проложен в бетонном тоннеле. Для предохранения бетона от перегрева предусмотрена естественная циркуляция в тоннеле воздуха; нагретый воздух удаляют из тоннеля через вытяжную шахту.

В зимнее время воздух из тоннелей отсасывают вентиляторами и подают к горелкам печи.

Для осмотров и ремонтов дымопровода в нем предусмотрены лазы.

1.2.6 Водоохлаждение элементов печи

При водяном охлаждении всех элементов печи максимальный расход воды на печь при сохранении на подовых трубах 50 % изоляции составит 3360 м³/час. При испарительном охлаждении подовых труб расход технической воды из чистого оборотного цикла на остальные элементы печи составит 610 м³/час. Расход воды подсчитан из условия нагрева воды в охлаждаемых элементах не менее чем на 20 °C. Потеря напора в водоохлаждаемых элементах составит примерно 1,5 ати. Перевод подовых труб на водяное охлаждение предусматривается при выходе из строя системы испарительного охлаждения.

Во избежание засорения внутренней поверхности труб и выхода из строя подовых труб работа их на водяном охлаждении предусматривается только на время, необходимое для полного охлаждения печи после выхода из строя системы испарительного охлаждения.

В водяные затворы подвижных балок и водоотводчик воду подливают для сохранения постоянным ее уровня в затворах. В желоба для удаления окалины воду пускают при смыве окалины. В насосы для откачки воды воду заливают перед пуском. Один насос с электродвигателем мощностью 10 кВт, расположенный под печью на отметке - 18,6 м, служит для перекачки воды, сбрасываемой в яму от водяных затворов подвижных балок, удаления случайной воды и масла, стекающего из маслонасосной станции. Другой насос с электродвигателем мощностью 3 кВт установлен на отметке - 19,6 м и служит для откачки случайной воды из тоннелей боровов.

1.3 Конструктивные недостатки работы системы регенерации тепла печи и задачи, требующие решения при реконструкции

Основным недостатком работы системы регенерации тепла является относительно небольшая температура подогрева воздуха. В настоящее время на методической печи №1 ЛПЦ-2 воздух подогревают до 260 °C. Продукты сгорания перед рекуператором имеют температуру 790 °C, и целесообразней является наиболее полно использовать их теплоту, так как, повышая физическую теплоту воздуха, идущего на горение, мы уменьшаем расход условного топлива и соответственно себестоимость продукции. Установленные после рекуператора котлы-утилизаторы имеют второстепенное значение и их часто не используют.

Основными задачами, требующими решения при реконструкции, являются: повышение температуры подогрева воздуха за счет увеличения поверхности нагрева и оценка экономической эффективности предложенных мероприятий.

1.4 Основные технические решения, принятые в проекте

С целью повышения температуры подогрева воздуха, а, следовательно, уменьшения расхода условного топлива и себестоимости продукции, в систему утилизации тепла уходящих газов методической печи №1 ЛПЦ-2 при реконструкции предложены следующие изменения.

Увеличить поверхность нагрева обоих рекуператоров на 440 м², добавляя еще один ряд аналогичных секции в каждом. Количество секций в ряде - 4 шт. Схема движения воздуха и продуктов сгорания в этом ряду - перекрестно-противоточная. Воздух, поступающий в рекуператор с температурой 20 °C, делится на три потока, примерно равные по объему. Проходя внутри трубок рекуператора, он нагревается в первой, второй и третьей ветви и поступает в общий коллектор, где перемешивается и подается на горение. Материал труб: сталь Х23Н18 первый ряд секций со стороны дымовых газов, сталь 08Х17Т - второй и третий ряд секций. При этом температура подогрева воздуха, идущего на горение, увеличивается до 300 °C.

Осуществление технических решений, реализуемых в проекте, позволяет существенно повысить эффективность работы печи.

2. Расчетно-теоретическая часть

2.1 Расчет горения топлива до реконструкции

В результате расчета нам нужно получить количество воздуха, который идет на горение и количество образующихся дымовых газов.

Расчет делаем по методике, которая изложена в литературе [4].

Для отопления печи применяется природный газ, характеристики которого приведены ниже:

1. Объемная доля компонентов, %

· метан ;

· этан ;

· пропан ;

· изобутан и нормальный бутан ;

· изопентан и нормальный пентан ;

· углекислый газ ;

· азот ;

2. Низшая теплота сгорания кДж/м³;

3. Плотность кг/м³.

Количество кислорода, которое необходимо для сгорания газа с , определяется по формуле:

, м³/ м³, (2.1)

, м³/ м³.

Количество азота, которое поступило с воздухом с , определяется по формуле:

, м³/ м³,(2.2)

, м³/ м³.

Стехиометрическое количество воздуха определяется по формуле:

, м³, (2.3)

(м³/ м³).

Количество продуктов сгорания определяется по формулам:

· выход сухих трехатомных газов:

, м³/ м³, (2.4)

, м³/ м³.

· объем азота в дымовых газах:

, м³/ м³, (2.5)

, м³/ м³.

· выход водяных паров:

, м³/ м³, (2.6)

, м³/ м³.

· объем кислорода в дымовых газах:

, м³/ м³, (2.7)

, м³/ м³.

Выход продуктов полного сгорания при определяется по формуле:

, м³/ м³, (2.8)

, м³/ м³.

Объемный состав продуктов полного сгорания, %:

, %, (2.9), %.

, %, (2.10), %.

, %, (2.11), %.

, %, (2.12), %.

2.2 Тепловой расчет рекуператора до реконструкции

Цель теплового расчета рекуператора это определение температуры подогретого воздуха при заданной поверхности нагрева рекуператора и начальной температуре продуктов сгорания.

Исходные данные:

· количество рекуператоров на печь - 2 шт. (два ряда секций в каждом);

· проходное сечение: по воздуху м², по дымовым газам м²;

· количество труб в секции - 63 шт.;

· диаметр труб (наружный): 76 и 89 мм, толщина стенки - 4,5 мм;

· материал труб: сталь Х23Н18 - первый ряд секций со стороны дымовых газов, сталь 08Х17Т - второй ряд секций;

· температура дымовых газов перед рекуператором: °C;

· начальная температура воздуха: °C;

· коэффициент расхода воздуха: .

Расчет ведется по методике, которая изложена в литературе [4].

Количество воздуха, подогреваемого в рекуператорах:

, м³/ч, (2.13)

где - коэффициент избытка воздуха;

м³/м³ - стехиометрическое количество воздуха;

м³/ч - расход топлива.

, м³/ч.

Количество воздуха, подогреваемого в одном рекуператоре:

, м³/ч, (2.14)

, м³/ч.

Количество воздуха, подогреваемого в одном ряду секций:

, м³/ч, (2.15)

, м³/ч.

Количество дымовых газов, которые отдают теплоту в рекуператорах:

, м³/ч, (2.16)

где , м³/м³ - количество дымовых газов, которое образуется при сгорании 1 м³ природного газа;

- коэффициент, который учитывает потери дымовых газов на выбивание и через обводной шибер.

, м³/ч.

Количество дымовых газов, которые отдают теплоту в одном рекуператоре:

, м³/ч, (2.17)

, м³/ч.

Расчет первого ряда секций рекуператора.

Схема движения воздуха и дымовых газов - перекрестно-прямоточная.

Задаемся температурой подогретого воздуха °C и температурой дымовых газов °C после первого ряда секций рекуператора.

Средние температуры воздуха и дымовых газов:

, °C, (2.18), °C.

, °C, (2.19) ,°C,.

Средние теплоемкости воздуха и дымовых газов (с учетом состава):

, кДж/(м³•°C),

, кДж/(м³•°C).

Значение величины :

, (2.20)

где - КПД рекуператора.

.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху:

, Вт/(м²•K), (2.21)

где и - коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху.

Теплопередача от дымовых газов к стенке происходит путем конвекции и излучения:

, Вт/(м²•K). (2.22)

Теплопередача от стенки к воздуху происходит путем конвекции:

, Вт/(м²•K). (2.23)

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху (в зависимости от схемы движения дымовых газов и воздуха):

, Вт/(м²•K), (2.24)

, Вт/(м²•K), (2.25)

где и , м/с - скорости дымовых газов и воздуха;

и , м - наружный и внутренний диаметры труб.

Значение коэффициента :

, (2.26)

где м - шаг пучка в поперечном направлении.

.

Скорость дымовых газов:

, м/с, (2.27)

где , м² - проходное сечение рекуператора по дымовым газам.

, м/с.

Скорость воздуха:

, м/с, (2.28)

где (м²) - проходное сечение рекуператора по воздуху.

, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху (в зависимости от схемы движения дымовых газов и воздуха):

, Вт/(м²•K),

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке:

, Вт/(м²•K), (2.29)

где (Вт/(м²•K⁴)) - приведенный коэффициент излучения;

, Вт/(м²•K⁴) (2.30)

где (Вт/(м²•K⁴)) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- эффективная степень черноты стенки;

, (2.31)

где - действительная степень черноты стенки.

.

- степень черноты дымовых газов,

, (2.32)

где и - степени черноты диоксида углерода и водяного пара;

- поправка на парциальное давление водяного пара.

По расчету сгорания газа в объемном составе продуктов полного сгорания %, %.

Произведение парциального давления диоксида углерода и водяного пара на эффективную длину пути луча продуктов сгорания:

, м, (2.33)

, м.

, Па•м,

, Па•м.

Находим по графикам , и .

Степень черноты дымовых газов:

.

Приведенный коэффициент излучения:

, Вт/(м²•K⁴).

, °C - температура стенки,

, °C, (2.34)

, °C.

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке:

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке:

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху:

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху:

, Вт/(м²•K).

Относительная поверхность нагрева рекуператора:

, (2.35)

где (м²) - поверхность нагрева одного ряда секций рекуператора.

.

По графику определяем относительную температуру подогрева воздуха в зависимости от схемы движения сред (перекрестно-прямоточная) и величины ():

.

Температура подогретого воздуха после первого ряда секций рекуператора:

, °C, (2.36)

, °C.

Температура дымовых газов после первого ряда секций рекуператора:

, °C, (2.37)

, °C.

Расчет второго ряда секций рекуператора.

Схема движения воздуха и дымовых газов - перекрестно-противоточная.

Задаемся температурой подогретого воздуха °C и температурой дымовых газов °C после второго ряда секций рекуператора.

Средние температуры воздуха и дымовых газов по формулам (2.18) и (2.19):

, °C.

, °C.

Средние теплоемкости воздуха и дымовых газов (с учетом состава):

, кДж/(м³•°C),

, кДж/(м³•°C).

Значение величины по формуле (2.20):

.

Значение коэффициента по формуле (2.26):

.

Скорость дымовых газов по формуле (2.27):

, м/с.

Скорость воздуха по формуле (2.28):

, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху (в зависимости от схемы движения дымовых газов и воздуха) по формулам (2.24) и (2.25):

, Вт/(м²•K),

, Вт/(м²•K).

Эффективная степень черноты стенки по формуле (2.31):

.

По расчету сгорания газа в объемном составе продуктов полного сгорания %, %.

Произведение парциального давления диоксида углерода и водяного пара на эффективную длину пути луча продуктов сгорания по формуле (2.33):

, м.

, Па•м,

Па•м.

Находим по графикам значения , и .

Степень черноты дымовых газов по формуле (2.32):

.

Приведенный коэффициент излучения по формуле (2.30):

, Вт/(м²•K⁴).

Температура стенки по формуле (2.34):

, °C.

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке по формуле (2.29):

Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке по формуле (2.22):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху по формуле (2.23):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху по формуле (2.21):

, Вт/(м²•K).

Относительная поверхность нагрева рекуператора по формуле (2.35):

.

По графику определяем относительную температуру подогрева воздуха в зависимости от схемы движения сред (перекрестно-противоточная) и величины ():

.

Температура подогретого воздуха после второго ряда секций рекуператора по формуле (2.36):

, °C.

Таким образом:

· начальная температура воздуха: °C;

· температура подогретого воздуха после второго ряда секций рекуператора:

°C;

· температура дымовых газов перед рекуператором: °C;

· температура дымовых газов после второго ряда секций рекуператора: °C.

2.3 Тепловой расчет рекуператора после реконструкции

Целью теплового расчета рекуператора является определение температуры подогретого воздуха при заданной поверхности нагрева рекуператора и начальной температуре продуктов сгорания.

Исходные данные:

· количество рекуператоров на печь - 2 шт. (три ряда секций в каждом);

· проходное сечение: по воздуху м², по дымовым газам м²;

· количество труб в секции - 63 шт.;

· диаметр труб (наружный): 76 и 89 мм, толщина стенки - 4,5 мм;

· материал труб: сталь Х23Н18 - первый ряд секций со стороны дымовых газов, сталь 08Х17Т - второй и третий ряд секций;

· температура дымовых газов перед рекуператором: °C;

· начальная температура воздуха: °C;

· коэффициент расхода воздуха: .

Расчет ведется по методике, которая изложена в литературе [4].

Количество воздуха, подогреваемого в одном ряду секций по формуле (2.15):

, м³/ч.

Расчет первого ряда секций рекуператора.

Схема движения воздуха и дымовых газов - перекрестно-прямоточная.

Задаемся температурой подогретого воздуха °C и температурой дымовых газов °C после первого ряда секций рекуператора.

Средние температуры воздуха и дымовых газов по формулам (2.18) и (2.19):

, °C.

, °C.

Средние теплоемкости воздуха и дымовых газов (с учетом состава):

, кДж/(м³•°C),

, кДж/(м³•°C).

Значение величины по формуле (2.20):

.

Значение коэффициента по формуле (2.26):

.

Скорость дымовых газов по формуле (2.27):

, м/с.

Скорость воздуха по формуле (2.28):

, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху (в зависимости от схемы движения дымовых газов и воздуха) по формулам (2.24) и (2.25):

, Вт/(м²•K),

, Вт/(м²•K).

Эффективная степень черноты стенки по формуле (2.31):

.

По расчету сгорания газа в объемном составе продуктов полного сгорания %, %.

Произведение парциального давления диоксида углерода и водяного пара на эффективную длину пути луча продуктов сгорания по формуле (2.33):

, м.

, Па•м,

, Па•м.

Находим по графикам значения , и .

Степень черноты дымовых газов по формуле (2.32):

.

Приведенный коэффициент излучения по формуле (2.30):

, Вт/(м²•K⁴).

Температура стенки по формуле (2.34):

, °C.

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке по формуле (2.29):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке по формуле (2.22):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху по формуле (2.23):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху по формуле (2.21):

, Вт/(м²•K).

Относительная поверхность нагрева рекуператора по формуле (2.35):

.

По графику определяем относительную температуру подогрева воздуха в зависимости от схемы движения сред (перекрестно-прямоточная) и величины ():

.

Температура подогретого воздуха после первого ряда секций рекуператора по формуле (2.36):

, °C.

Температура дымовых газов после первого ряда секций рекуператора по формуле (2.37):

, °C.

Расчет второго ряда секций рекуператора.

Схема движения воздуха и дымовых газов - перекрестно-противоточная.

Задаемся температурой подогретого воздуха °C и температурой дымовых газов °C после второго ряда секций рекуператора.

Средние температуры воздуха и дымовых газов по формулам (2.18) и (2.19):

, °C.

, °C.

Средние теплоемкости воздуха и дымовых газов (с учетом состава):

, кДж/(м³•°C),

, кДж/(м³•°C).

Значение величины по формуле (2.20):

.

Значение коэффициента определяется по формуле (2.26):

.

Скорость дымовых газов определяется по формуле (2.27):

, м/с.

Скорость воздуха определяется по формуле (2.28):

, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху (в зависимости от схемы движения дымовых газов и воздуха) по формулам (2.24) и (2.25):

, Вт/(м²•K),

, Вт/(м²•K).

Эффективная степень черноты стенки определяется по формуле (2.31):

.

По расчету сгорания газа в объемном составе продуктов полного сгорания %, %.

Произведение парциального давления диоксида углерода и водяного пара на эффективную длину пути луча продуктов сгорания по формуле (2.33):

, м.

, Па•м,

, Па•м.

Находим по графикам , и .

Степень черноты дымовых газов по формуле (2.32):

.

Приведенный коэффициент излучения по формуле (2.30):

, Вт/(м²•K⁴).

Температура стенки по формуле (2.34):

, °C.

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке по формуле (2.29):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке по формуле (2.22):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху по формуле (2.23):

(Вт/(м²•K)).

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху по формуле (2.21):

, Вт/(м²•K).

Относительная поверхность нагрева рекуператора по формуле (2.35):

.

По графику определяем относительную температуру подогрева воздуха в зависимости от схемы движения сред (перекрестно-противоточная) и величины ():

.

Температура подогретого воздуха после второго ряда секций рекуператора по формуле (2.36):

, °C.

Температура дымовых газов после второго ряда секций рекуператора по формуле (2.37):

, °C.

Расчет третьего ряда секций рекуператора.

Схема движения воздуха и дымовых газов - перекрестно-противоточная.

Задаемся температурой подогретого воздуха °C и температурой дымовых газов °C после третьего ряда секций рекуператора.

Средние температуры воздуха и дымовых газов по формулам (2.18) и (2.19):

, °C.

, °C.

Средние теплоемкости воздуха и дымовых газов (с учетом состава):

, кДж/(м³•°C),

, кДж/(м³•°C).

Значение величины по формуле (2.20):

.

Значение коэффициента по формуле (2.26):

.

Скорость дымовых газов по формуле (2.27):

, м/с.

Скорость воздуха по формуле (2.28):

, м/с.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке и от стенки к воздуху (в зависимости от схемы движения дымовых газов и воздуха) по формулам (2.24) и (2.25):

, Вт/(м²•K),

, Вт/(м²•K).

Эффективная степень черноты стенки по формуле (2.31)

.

По расчету сгорания газа в объемном составе продуктов полного сгорания %, %.

Произведение парциального давления диоксида углерода и водяного пара на эффективную длину пути луча продуктов сгорания по формуле (2.33):

, м.

, Па•м,

, Па•м.

Находим по графикам , и .

Степень черноты дымовых газов по формуле (2.32):

.

Приведенный коэффициент излучения по формуле (2.30):

, Вт/(м²•K⁴).

Температура стенки по формуле (2.34):

, °C.

Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к стенке по формуле (2.29):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке по формуле (2.22):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху по формуле (2.23):

, Вт/(м²•K).

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху по формуле (2.21):

, Вт/(м²•K).

Относительная поверхность нагрева рекуператора по формуле (2.35):

.

По графику определяем относительную температуру подогрева воздуха в зависимости от схемы движения сред (перекрестно-противоточная) и величины ():

.

Температура подогретого воздуха после третьего ряда секций рекуператора по формуле (2.36):

, °C.

Температура дымовых газов после третьего ряда секций рекуператора по формуле (2.37):

, °C.

Таким образом:

· начальная температура воздуха: °C;

· температура подогретого воздуха после третьего ряда секций рекуператора: °C;

· температура дымовых газов перед рекуператором: °C;

· температура дымовых газов после третьего ряда секций рекуператора: °C.

2.4 Расчет горения топлива после реконструкции

При горении топлива должно соблюдаться следующее равенство:

, (2.38)

где и - физическая теплота воздуха до и после реконструкции;

и - химическая теплота топлива до и после реконструкции.

Физическая теплота воздуха, подаваемого на горение, до реконструкции:

, кДж/ч, (2.39)

где - коэффициент избытка воздуха;

- стехиометрическое количество воздуха;

, °C - температура воздуха до реконструкции;

, кДж/(м³•°C) - теплоемкость воздуха до реконструкции;

, м³/ч - расход топлива до реконструкции.

Физическая теплота воздуха, подаваемого на горение, после реконструкции:

, кДж/ч, (2.40)

где , °C - температура воздуха после реконструкции;

, кДж/(м³•°C) - теплоемкость воздуха после реконструкции;

, м³/ч - расход топлива после реконструкции.

Химическая теплота топлива до реконструкции:

, кДж/ч, (2.41)

где , кДж/м³ - низшая теплота сгорания топлива.

Химическая теплота топлива после реконструкции:

, кДж/ч.

Из формул (2.38)-(2.41):

,

, м³/ч,

, м³/ч.

2.5 Проверочный расчет рекуператора после реконструкции

Исходные данные:

· количество рекуператоров на печь - 2 шт. (три ряда секций в каждом);

· проходное сечение: по воздуху м², по дымовым газам м²;