ВВЕДЕНИЕ

1 ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основы агломерационного производства

1.2 Характеристика цеха и основного технологического оборудования

1.3 Технология окомкования

1.4 Характеристика барабана-окомкователя ОБ-3,2х12,5

1.5 Основные данные для расчета

2 РАСЧЕТНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет основных характеристик процесса горения доменного газа

2.2 Тепловой баланс барабана-окомкователя

2.3 Расчет теплообмена в барабане между дымовыми газами и шихтой

2.4 Аэродинамический расчет газопровода доменного газа

2.5 Выбор горелки

3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Введение

3.2 Расчет капитальных затрат

3.3 Определение экономической эффективности

4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

4.1 Анализ условий труда в АГЦ-3 на участке окомкования шихты

4.2 Меры по обеспечению безопасных условий труда на участке окомкования шихты

4.3 Расчет взрывных клапанов в АГЦ-3 на участке окомкования шихты

4.4 Меры по обеспечению устойчивости работы АГЦ-3 в условиях чрезвычайной ситуации

5 РАЗДЕЛ ЭКОЛОГИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

введение

Окатыши - твердые шарообразные тела, полученные путем окомкования тонкоизмельченных рудных материалов с добавкой связующих веществ с флюсами или без них с последующим упрочнением способами обжига, цементации или автоклавирование.

По соотношению содержания основных и кислых пород (основности) окатыши разделяют на отфлюсованные (частично или полностью) и неотфлюсованные (окисленные). Производство окисленных окатышей включает окомкование шихты (получение сырых окатышей) в барабанных, тарельчатых или чашевых окомкователях и упрочнение их обжигом или безобжиговыми методами. В зависимости от использования добавок различают железнорудные, железномарганцевые, железноникелевые и другие окатыши. Железнорудные окатыши, в которых часть оксидов железа (до 95%) восстановлена до металла, называются металлизированные (используются, главным образом, в электросталеплавильных печах для получения качественной стали).

Качество окатышей выражают большим перечнем показателей, отражающих их свойства и функциональные признаки. Обычно их группируют на следующие четыре признака:

- химико-минеральный состав;

- механические свойства;

- физико-химические свойств;

- стабильность качественных параметров.

По химико-минеральному составу окатыши делят на неотфлюсованные, отфлюсованные и доломитизированные.

Параметрами качества, выражающих механические свойства окатышей являются: крупность, прочность на разрушаемость и истираемость, содержание лимитируемого класса < 5мм и пористость.

В группу физико-химических свойств входят следующие признаки:

- восстановимость;

- прочность при восстановлении (при различных температурах: а - 600-800 ^oС; б - 800-950 ^oС);

- газодинамические свойства расплава, измеряемые путем перепада давления при восстановлении;

- размягчаемость;

- набухаемость.

Стабильность качественных параметров оценивают по их колебаемости, которую регламентируют указанием двух величин: пределами колебаний (% от среднего значения) и количество проб, укладываемых в обозначенные пределы.

Технология производства окатышей

Основные операции технологического процесса следующие:

- Подача пульпы концентрата с обогатительной фабрики

- Сгущение и усреднение концентрата в жидком виде

- Фильтрация концентрата

- Измельчение известняка

- Бункерование

- Дозирование компонентов шихты

- Смешивание компонентов шихты

- Окомкование шихты (получение сырых окатышей)

- Грохочение сырых окатышей

- Сушка и предварительный нагрев сырых окатышей

- Обжиг окатышей

- Грохочение обожженных окатышей

- Охлаждение обожженных окатышей

- Складирование и отгрузка готовых окатышей

Для производства окатышей в цехе используют железорудный концентрат, доломитизированный известняк, глину бентонитовую, активированный торф и газообразное топливо.

Подготовка концентрата

Пульпа подается по пульпопроводу, магнитно флокируется и поступает в сгустители, где взвешенные твердые частицы (с содержанием твердого 30...45%) осаждаются на дно и сгребаются к центру разгрузочной воронки. Сгущенный продукт-пульпа с плотностью 55 ... 65 %. удаляется со дна сгустителя насосами и размагничивается. Затем перегоняется в резервуары с механическими мешалками для усреднения. Из резервуаров насосами пульпа перегоняется в распределитель принудительной подачи. Для поддержания постоянного давления в распределителе приводы насосов имеют бесступенчатую регулировку. Подача пульпы на фильтр регулируется автоматически, так чтобы количество поступающей пульпы соответствовало производительности фильтра. Для каждой технологической линии предусмотрено 10 фильтров, в том числе один резервный. Влажность кека составляет 9.5%. Концентрат подается в дозировочные бункера, а распределение по бункерам производится при помощи плужковых сбрасывателей.

Дозирование и смешивание компонентов шихты

Концентрат, известняк, бентонит и торф при помощи автоматических весодозаторов выдаются на сборный конвейер в заданной пропорции. Смешивание осуществляется в роторном смесителе, установленном на ленте, а затем однородная шихта поступает в барабанные окомкователти.

Окомкование шихты

За счет перекатывания материалов и поверхностного натяжения воды, которая впрыскивается для регулирования процесса окомкования в барабане. Рост размера гранул прекращается, когда в барабане не остается мелких частиц. Дальнейшее перекатывание материала в окомкователе обеспечивает механическое уплотнение окатышей, для транспортировки, загрузки на решетке и тепловой обработки на ней без разрушения. Для получения нео6ходимой влажности шихты, предусматривается подача воды в окомкователь.

Грохочение шихты

После окомковання окатыши проходят грохочение на роликовом грохоте с разделением на 2 класса: минус 9,5мм и плюс 9,5мм. Окатыши с размером менее 9,5мм ленточными конвейерами возвращаются в окомкователь для дальнейшей доработки. Сырые окатыши размером крупнее 9,5 мм. подаются на роликовый грохотукладчик с помощью которого производится дополнительно отделение мелочи и укладка кондиционных окатышей на колосники движущейся решетки равномерным слоем высотой около 180 мм. Мелочь после роликового укладчика возвращается на конвейер концентрата после фильтров.

Сушка и предварительный нагрев

Сушка и предварительный нагрев окатышей осуществляется на движущейся колосниковой решетке. Окатыши проходят три зоны: сушка в восходящем потоке, сушка в нисходящем потоке и предварительный подогрев в нисходящим потоком. При сушке в восходящем потоке горячие газы с температурой 400^oС нагнетаются в слой окатышей снизу, выпаривают из окатышей влагу и нагревают слой до средней температуры примерно 230^oС. Увлажненные газы, покидающие слой после сушки в восходящем потоке, охлаждаются в слое приблизительно до 93^oС и после очистки пыли до санитарных норм выбрасываются в атмосферу. При сушке в нисходящем потоке газы с t 400^oС просасываются через слой сверху вниз. Целью этой операции является обеспечение удаления влаги с верхнего слоя окатышей для предотвращения разрушения их в зоне предварительного нагрева. При предварительном нагреве газы с температурой 1040.......1050 ^oС просасываются через слой сверху вниз. Целью этой операции является получение необходимой прочности окатышей, при которой они могут быть подвергнуты обжигу во вращающейся печи без заметного разрушения. Средняя температура окатышей после решетки -980 ^oС. Тепловая обработка окатышей на решетке осуществляется горячими газами, отходящими из вращающейся печи. Перекачка газов по зоне решетки осуществляется тремя технологическими вентиляторами, из которых два просасывают газ сверху вниз через слой окатышей в зоне предварительного нагрева, сушки нисходящим потоком и подают его в зону сушки восходящим потоком и один вентилятор отсасывает газ из колпака указанной зоны. Схемой предусмотрена возможность сброса излишков газа, поступающего из вращающейся печи в зону предварительного нагрева и подаваемого в зону восходящим потоком (байпасная система). Решетка оснащена промежуточной сухой газоочисткой, установленной перед вентиляторами зоны предварительного нагрева (циклоны), мокрой очистки (скруббер) перед сбросным вентилятором зоны сушки восходящим потоком.

Обжиг окатышей

Обжиг окатышей осуществляется во вращающейся печи диаметром 6700 мм, длинной 45720 мм. Для обжига применяется природный газ, который сжигается в торцевой горелке, установленной на разгрузочном конце печи. Обжиг окатышей в печи происходит за счет излучения факела горелки и раскаленной футировки печи, а также конвекционного теплообмена между газовым потоком циркулирующим противопотоком, через печь, огнеупорной футировкой и поверхностью слоя окатышей. Печь оборудована вентилятором для подачи воздуха на сжигание газа и газорегуляторной станцией, обеспечивающей давление газа перед горелкой не более 2кг/cм2. Окатыши перемещаются вдоль печи за счет ее вращения, при этом происходит постоянное пересыпание слоя окатышей и равномерный их обжиг при оптимальной температуре 1260 + 15-30 ^oС. После печи окатыши попадают на станционный охлажденный грохот, с помощью которого удаляются спеки окатышей или настыли с вращающейся печи крупностью 200 мм и более.

После грохочения окатыши подаются на охлаждение в кольцевой охладитель. Кольцевой охладитель представляет собой решетку в форме кольца шириной 3111.5 мм и средний диаметр (полу суммой внешнего и внутреннего диаметров) 20116.8 мм. В загрузочной части охладителя установлена разравнивающая стенка для формирования равномерного слоя окатышей высотой 762 мм. Охладитель имеет привод бесступенчатой регулировки скорости, за счет чего осуществляется автоматическая регулировка высоты слоя окатышей. Охладитель вращается в горизонтальной плоскости и конструктивно разделен на три зоны: рабочая зона, где происходит охлаждение окатышей, составляет 303 градуса окружности; загрузочная зона - дуга в 25 градусов, разгрузочная зона-дуга в 32 градуса. Охлаждение окатышей осуществляется продувом холодного воздуха снизу вверх. Рабочая зона подразделяется, в свою очередь, на две зоны: зона рекуперационного охлаждения, в которой от окатышей отбирается 70-80 % тепла и зона окончательного охлаждения, в которой температура окатышей доводится до 120 ?С. Из зоны рекуперационного охлаждения нагретый воздух передается во вращающуюся печь частично через загрузочный желоб охладителя и частично по отдельному газопроводу, соединяющему свод рекуперационной зоны охлаждения с разгрузочной частью печи. Из зоны окончательного охлаждения газы сбрасываются в атмосферу без предварительной очистки с содержанием пыли не более 60 мг/м3. Забор охлаждающего воздуха осуществляется с атмосферы. Работу кольцевого охладителя обеспечивают два охлаждающих вентилятора, по одному на каждую зону охлаждения.

Охлажденные окатыши подаются на вибропитатель-грохот, где производится отделение класса плюс 50 мм, который убирается пластинчатым конвейером через специальный желоб, за пределы цеха в открытый штабель. Класс минус 50 мм (кондиционные окатыши), системой ленточных конвейеров транспортируется на склад или на отгрузку. Схемой грузопотоков предусматривается возможность подачи окатышей на склад, непосредственно на погрузку в баржи или в железнодорожные вагоны, а также одновременная подача окатышей на погрузку непосредственно с фабрики и со склада в железнодорожные вагоны или в баржи.

Укладка готовых окатышей на склад и отгрузка его со склада осуществляется соответственно одноконсольным штабелеукладчиком и роторным заборщиком напольного типа на рельсовом ходу импортной поставки.

1.4 Характеристика барабана-окомкователя ОБ-3,2х12,5

Окомкователь представляет собой цилиндрический барабан, установленный двумя своими бандажами на четыре опорных ролика, расположенных на общей раме, которая устанавливается под углом к горизонтали. Барабан приводится во вращение от электромеханического привода через зубчатую передачу.

Окомкователь оснащен загрузочным и разгрузочным устройствами, усовершенствованной системой увлажнения, горелочным устройством для подогрева шихты, автоматизированной системой управления, интегрированную в общую АСУ ТП, централизованной смазкой механизмов, системой сигнализации и блокировок, аспирацией.

Требуемая эффективность окомкования шихты достигается при движении шихты в режиме переката и расчетом времени пребывания шихты в барабане.

Техническая характеристика окомкователя ОБ-3,2х12,5 представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Техническая характеристика окомкователя ОБ-3,2х12,5

Гранулометрический состав шихты и степень окомкования ее барабаном ОБ-3,2х12,5 представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Гранулометрический состав шихты и степень окомкования

1.5 Основные данные для расчета

Доменный, или колошниковый, газ является побочным продуктом доменного производства. Это низкокалорийный газ, содержащий около 30--35 % горючих составляющих и большое количество балласта (азота и углекислоты). Состав и основные характеристики доменного газа зависят от состава шихты и хода плавки, следовательно, они непостоянны и изменяются во времени.

Состав сухого доменного газа: CO₂ = 19,9%; H₂ = 10,6%; CO = 24,5%;

N₂ = 45,0%;

Так как в составе доменного газа присутствует влага (щ=19 г/м³), то пересчитаем его состав:

H₂O = 100* щ/(804+ щ), %, (1)

H₂O = 100* 19/(804+ 19) =2,309%;

CO₂^вл = 19,441%;

H₂ ^вл = 10,355%;

CO ^вл = 23,934%;

N₂ ^вл = 43,961%;

У = 100%.

Определим низшую теплоту сгорания доменного газа.

Теплота сгорания -- это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. При этом обычно понимают, что процессы горения топлива протекают по реакциям соединения горючих элементов с кислородом при условии непрерывного образования горючей смеси топлива с воздухом. Теплоемкость можно определить расчетом, если известен химический состав топлива.

Формула для доменного газа будет (для t=0°С):

Q_н^вл = 30,2*CO ^вл + 25,7*H₂ ^вл + 85,55*CH₄ ^вл + 140,2*C₂H₄ ^вл +

+ 55,2*H₂S ^вл (2)

В связи с отсутствием в исходном газе углеводородов и серы, формула примет вид:

Q_н^вл = 30,2*CO ^вл + 25,7*H₂ ^вл; (3)

Q_н^вл = 30,2*23,934 + 25,7*10,355=988,9 ккал/м³

Так как доменный газ берется при t=20°С, то найденное значение нужно умножить на поправочный коэффициент:

Q_н^вл = 988,9*273/(273+20)=921,8 ккал/м³ = 3862,4 кДж/м³.

Определим теоретически необходимое количество воздуха. Воспользуемся формулой для сжигания генераторного, коксового или доменного газов и их смесей:

L_т = 4,762/100*((CO^вл+H₂^вл)/2 + 2*CH₄^вл + 3*C2H₄^вл + 1,5*H₂S^вл -

- O₂^вл), м³/м³ (4)

Для доменного газа формула примет вид:

L_т = 4,762/100*((CO^вл+H₂^вл)/2), м³/м³ (5)

L_т = 4,762/100*((23,934+10,355)/2) = 0,816 м³/м³

В атмосферном воздухе содержится некоторое количество влаги, которое можно выразить влагосодержанием d г/кг сухого воздуха. Поэтому расход влажного атмосферного воздуха будет больше, чем рассчитанный ранее. Примем влагосодержание d = 10 г/кг. Тогда:

L_т'= L_т*(1+0,0016*d), м³/м³ , (6)

L_т'= 0,816*(1+0,0016*10) = 0,829 м³/м³;

Для расчета состава продуктов сгорания доменного газа нужно знать коэффициент избытка воздуха б в самом барабане-окомкователе.

Так как по технологии процесса в барабане существуют дополнительные подсосы воздуха из цеха для снижения температуры дымовых газов, то найти коэффициент избытка воздуха б нельзя без значения расхода доменного газа на горелочное устройство. Для его определения составим тепловой баланс входящих и выходящих потоков тепла.

2.2 Тепловой баланс барабана-окомкователя

Тепловой баланс - это сопоставление прихода и расхода (полезно использованной и потерянной) теплоты в различных тепловых процессах. В технике тепловой баланс используется для анализа тепловых процессов, осуществляющихся в паровых котлах, печах, тепловых двигателях, сушилках и т. д.

Тепловой баланс для барабана-окомкователя:

Q_прих=Q_х^т + Q_ф^в (7)

Q_расх=Q_шихты + Q_воды + Q_окр.ср. + Q_{ух.газы} + Q_{нагр.бар.} (8)

Q_прих= Q_расх (9)

где Q_х^т, Гкал/ч - теплота топлива, выделяющаяся при химических реакциях;

Q_ф^в , Гкал/ч - физическая теплота, вносимая воздухом;

Q_шихты , Гкал/ч - необходимое количество теплоты на нагрев агломерационной шихты;

Q_воды, Гкал/ч - необходимое количество теплоты на нагрев воды, поступающей в барабан;

Q_окр.ср. , Гкал/ч - потери теплоты в окружающую среду от поверхности барабана-окомкователя;

Q_{ух.газы}, Гкал/ч - потери теплоты с уходящими газами,

Q_{нагр.бар.} , Гкал/ч - потери теплоты на нагрев барабана-окомкователя. Так как барабан работает непрерывно и температура его поверхности постоянна, то примем Q_{нагр.бар.} = 0.

Для расчета приходной части необходимо знать количестко топлива, которое расходуется в горелочном устройстве за час. Поэтому сначала найдем Q_расх.

Найдем Q_шихты:

Q_шихты = G_ш*c_ш*(t_к.ш.-t_н.ш.), Гкал/ч , (10)

где G_ш - расход шихты,кг/ч,

c_ш - теплоемкость шихты, кДж/(кг*°С),

t_к.ш - конечная температура шихты после нагрева в барабане,°С,

t_н.ш - начальная температура шихты на выходе из бункера,°С.

Q_шихты = 265000*1013*(60-12)/4,19=3,068 Гкал/ч = 12,86 ГДж/ч.

Найдем количество теплоты на нагрев воды:

Q_воды = G_воды*c_воды*(t_к.воды-t_н.воды), Гкал/ч, (11)

где G_воды - расход воды,кг/ч,

c_воды - теплоемкость воды, кДж/(кг*°С),

t_к.воды- конечная температура воды,°С,

t_н.воды- начальная температура воды,°С.

Q_воды = 6000*4191,9*(60-10)/4,19=0,3 Гкал/ч = 1,26 ГДж/ч.

Рассчитаем Q_окр.ср.- потери тепла в окружающую среду от поверхности барабана-окомкователя. Для этого нужно определить коэффициент теплоотдачи с поверхности цилиндра, который вращается вокруг своей оси. Его можно определить из формул:

Nu = k₁*k₂*Prⁿ*Re^m (12)

Nu = б*d_экв/л, (13)

где Nu - один из основных критеоиев подобия тепловых процессов, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счёт конвекции и интенсивностью теплообмена за счёт теплопроводности;

k₁, k₂, n, m - коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса;

Pr - критерий подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, учитывает влияние физических свойств теплоносителя на теплопередачу;

Re - критерий подобия, учитывающий характер движения среды;

б - величина, характеризующая интенсивность отдачи тепла, определяется отношением плотности теплового потока к разности температур между поверхностью и прилегающей средой,

d_экв - определяющая характеристика, размер;

л - коэффициент теплопроводности среды.

Сначала найдем число Рейнольдса:

Re=щ*d_экв/н (14)

где щ - скорость вращения барабана (заменяет в формуле скорость движения среды), м/с;

н - кинематическая вязкость среды, м²/с.

щ = р*D*n/60 (15)

где D - внешний диаметр барабана, м;

n - скорость вращения барабана, об/мин.

щ = р*3,24*5,1/60=0,865 м/с

Re=0,865*3,2/151,1*10⁶ = 185521,5

Число Pr_в(t=20°C) = 0,713, а число Pr_ст(t=55°C) = 0,709.

k₂ = (Pr_в/ Pr_ст)^0,25 (16)

k₂ = (0,713/0,709)^0,25 = 1,005;

Для Re > 50000 k₁ = 0,026, m = 0,80, n=0,35.

Тогда:

Nu = 0,026*1,005*0,713^0,35*185521,5^0,8 = 380,6.

Выразим коэффициент теплоотдачи:

б = л* Nu/ d_экв (17)

б = 0,0257* 380,6/ 3,24 = 3,02 ккал/(м²*°С).

Для нахождения потерь воспользуемся основным уравнением теплопередачи:

Q = б*F*?t (18)

где F-площадь поверхности,

?t - перепад температур.

Q_окр.ср. = б*р*D*l*(t_бар - t_окр.ср.) (19)

где t_бар - температура поверхности барабана,

t_окр.ср. - температура окружающей среды (цеха).

Q_окр.ср. = 3,02*р*3,24*12,5*(50-20) =9904 ккал/ч = 0,01 Гкал/ч =0,042 ГДж/ч.

Для определения потерь с уходящими газами Q_{ух.газы} необходимо знать их температуру и объем. Температуру уходящих газов зададим предварительно t_{ух.газы} =120 °С. Объем дымовых газов нельзя найти без известного количества сжигаемого топлива.

Для определения всех неизвестных и расчета продуктов сгорания, предварительно зададимся количеством доменного газа B=4000 м³/ч.

2.3 Расчет теплообмена в барабане между дымовыми газами и шихтой

Для доменного газа с расходом В=4000 м³/ч найдем необходимое количество атмосферного воздуха для процесса горения:

V_в = В* L_т , м³/ч, (20)

V_в = 4000* 0,829 = 3316 м³/ч;

В барабане-окомкователе также присутствуют подсосы воздуха из цеха через отверстия в торцах барабана (круглое d=0,671 м для запальника и контроля факела и квадратное 0,2х0,2 м для установки датчика наличия факела). Этот дополнительный воздух непосредственно участвует в технологическом процессе и нужен для снижения температуры дымовых газов, так как в шихте есть горючие компоненты. Температура дымовых газов не должна превышать 700 °С.

Плошадь отверстий будет равна:

F = р*r² + a*b (21)

F = р*(0,671/2)² + 0,2*0,2=0,394 м².

В барабане поддерживается перепад давлений. С учетом этого найдем скорость воздуха, который подсасывается через отверстия:

, м/с, (22)

где g - ускорение свободного падения,

?p - перепад давлений,

с - плотность воздуха.

= 3,9 м/с.

Тогда за час в барабан будет поступать:

V_подс = щ*F*3600 м³/ч;

V_подс = 3,9*0,394*3600 = 5524 м³/ч.

Рассчитаем коэффициент избытка воздуха б:

б = (V_подс+ V_в)/ V_в (23)

б = (5524+ 3316)/ 3316=2,67.

Рассчитаем продукты горения, приходящиеся на 1 м³ доменного газа. Общий объем продуктов горения при сжигании с принятым в расчете коэффициентом избытка воздуха равен сумме объемов отдельных составляющих:

V_б = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2 (24)

V_CO2 = 0,01*(CO₂ + CO + CH₄ + 2*C₂H₄), м³/м³ , (25)

V_CO2 = 0,01*(19,441 + 23,934) = 0,434, м³/м³;

V_H2O = 0,01*( H₂ + 2*C₂H₄ + 2*CH₄ + H₂S +H₂O + 0,16*d*L_т'*б), м³/м³ (26)

V_H2O = 0,01*(10,355 + 2,309 + 0,16*10*0,829*2,67) = 0,162, м³/м³;

V_N2 = 0,01*N₂ + 0,79* L_т'*б, м³/м³ , (27)

V_N2 = 0,01*43,961 + 0,79*0,829*2,67 = 2,186, м³/м³;

V_О2 = 0,21*(б-1)* L_т' , м³/м³ , (28)

V_О2 = 0,21*(2,67-1)* 0,829 = 0,290 , м³/м³;

V_б = 0,434 + 0,162 + 2,186 + 0,290 = 3,071, м³/м³;

В процентах получается содержание:

CO₂ = 14,13%;

H₂O = 5,27%;

N₂ = 71,16%;

О₂ = 9,44%;

У = 100%.

Определим температуру горения доменного газа заданного состава без учета условий процесса сжигания, т.е температуру, которая характеризует само топливо. Используем метод последовательных приближений: будем находить для определенных температур соответствующие реальные (с учетом коэффициента избытка воздуха) теплоемкости продуктов сгорания, а потом по низшей теплоте сгорания определим теоретическую температуру горения доменного газа.

Формула для расчета реальной теплоемкости дымовых газов:

c_У = 0,01*(c_CO2*CO₂ + c_H2O*H₂O + c_N2* N₂ + c_O2* O₂), ккал/(м³*°С), (29)

Теплота дымовых газов будет равна:

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (30)

Для температуры t = 700°C:

c_CO2 = 0,4988, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,3940, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3233, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3426, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,4988*14,12 + 0,3940*5,27 + 0,3233*71,16 + 0,3426* 9,44) =

= 0,354 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (31)

Q = 0,354*700* 3,071 = 760,1 ккал/м³ ;

Для температуры t = 800°C:

c_CO2 = 0,5090, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,3984, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3265, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3463, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,5090*14,12 + 0,3984*5,27 + 0,3265*71,16 + 0,3463* 9,44) =

= 0,358 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (31)

Q = 0,358*800* 3,071 = 879,5 ккал/м³;

Для температуры t = 900°C:

c_CO2 = 0,5181, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,4050, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3295, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3498, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,5181*14,12 + 0,4050*5,27 + 0,3295*71,16 + 0,3498* 9,44) =

= 0,362 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (32)

Q = 0,362*900* 3,071 = 1000,7 ккал/м³;

Так как Q_н^вл = 921,8 ккал/м³, то температура горения будет находиться между 800°С и 900°С. Составляем пропорцию и получаем t = 834,9°С,

c_У =0,3606 ккал/(м³*°С) = 1,62 кДж/(м³*°С).

Для проверки точности расчета определим эту температуру аналитическим способом. Зададимся интервалом температур и найдем теплосодержание дымовых газов.

Для температуры t = 800°C:

i_CO2 = 407,2, ккал/м³;

i_H2O = 318,7, ккал/м³;

i_N2 =261,2, ккал/м³;

i_O2 =277, ккал/м³;

i_У = 0,01*(i_CO2*CO₂ + i_H2O*H₂O + i_N2* N₂ + i_O2* O₂), ккал/м³ , (33)

i_У = 0,01*(407,2*14,12 + 318,7*5,27 + 261,2*71,16 + 277* 9,44) =

= 286,57 ккал/м³;

Для температуры t = 900°C:

i_CO2 = 466,3, ккал/м³;

i_H2O = 364,5, ккал/м³;

i_N2 =296,6, ккал/м³;

i_O2 =314,8, ккал/м³;

i_У = 0,01*(466,3*14,12 + 364,5*5,27 + 296,6*71,16 + 314,8* 9,44) =

= 326,13 ккал/м³;

Определим удельное теплосодержание дымовых газов:

i_д.г. = Q_н^вл/V_б, ккал/м³ , (34)

i_д.г. = 921,8/3,071 = 300,2 ккал/м³;

Этой теплоемкости соответствует t = 834,6°C. Значит, ранее температура была определена верно.

Теперь определим действительную температуру горения дымовых газов с учетом процесса горения. В горелку подается воздух с температурой t = 300°С. Этот воздух пойдет от охлаждения агломерата с линейных охладителей в соответствии с разрабатываемым проектом по оптимизации и использованию низкопотенциальных тепловых ресурсов. Коэффициент избытка воздуха, идущего в горелку, будет равен б = 1.

, °С, (35)

где с_Т - теплоемкость топлива, ккал/(м³*°С);

t_Т - температура топлива на входе в горелку,°С;

c_пв- теплоемкость подогретого воздуха, ккал/(м³*°С);

с_в - теплоемкость воздуха при t=20°C, ккал/(м³*°С);

t_пв - температура подогретого воздуха,°С; t_в - температура воздуха,°С;

з' - коэффициент потери теплосодержания продуктов горения;

з''- коэффициент тепловыделения, характеризующий потери тепла от недостаточно интенсивного перемешивания реагирующих веществ;

=

= 677,3 °С,

Данное значение температуры удовлетворяет условию, при котором кокс в агломерационной шихте не воспламенится, т.е. t_д <700 °С.

В барабане происходит конвективный и лучистый теплообмен между дымовыми газами и увлажненной шихтой, т.е. дымовые газы передают теплоту шихте и воде путем конвекции и лучистого теплообмена. Эта теплота будет полезной, так как технологический процесс и представляет собой нагрев этих двух компонентов. Получаем:

Q_пол = Q_конв + Q_луч = Q_шихты + Q_воды (36)

Q_шихты + Q_воды = 3,068 + 0,3 = 3,368 Гкал/ч = 14,11 ГДж/ч.

Так как состав доменного газа непостоянен и изменяется во времени, то изменяется и его теплота сгорания. Она находится в пределах 850 - 1100 ккал/м³. При минимальной теплоте сгорания потребуется газа на 8% больше, чем при Q_н^вл = 921,8 ккал/м³, поэтому для учета этой неравномерности введем поправочный коэффициент:

Q_пол = 1,1*3,368 = 3,7048 Гкал/ч = 15,52 Гкал/ч.

Формула для конвективного теплообмена имеет вид:

Q_конв = б _конв *?t*F, Гкал/ч , (37)

где б _конв- коэффициент теплоотдачи конвекцией, ккал/(м²*°С),

?t - перепад температур между дымовыми газами и воздухом,°С,

F - площадь поверхности теплообмена, м².

Выразим коэффициент теплоотдачи:

Nu = 0,037*Re^0,8 (38)

Nu = б*d_экв/л (39)

Найдем число Рейнольдса:

Re=щ*l/н (40)

где щ - скорость движения дымовых газов в барабане, м/с;

н - кинематическая вязкость среды, м²/с, l- определяющий размер, м.

Найдем эквивалентный диаметр барабана:

d_экв = 4*F / П (41)

d_экв = 4*0,88*8,04 / 10,048=2,816 м.

щ =B* L_т'/(р* d²_экв*3600/4), м/,с (42)

щ = 4000* 0,829/(р* 2,816²*3600/4) = 0,548, м/с;

Для числа Рейнольдса определяющим размером будет длина слоя шихты в барабане. Барабан заполнен не на всю длину, l=11,7 м.

Re=0,548*11,7/112,1*10⁶ = 57216

Тогда:

Nu = 0,037*57216^0,8 = 236,72.

Выразим коэффициент теплоотдачи:

б = л* Nu/ d_экв (43)

б = 0,0712* 236,72/ 11,7 = 1,44 ккал/(м²*°С).

Теплообмен в барабане представляет процесс обмена теплотой между дымовыми газами и поверхностью слоя шихты, которая представляет пластину. Это допущение можно сделать исходя из малой порозности слоя шихты и малой скорости вращения барабана-окомкователя. Тогда найдем длину этого слоя за час работы барабана.

Найдем количество шихты, которое постоянно находится в барабане:

G_м = V_б*с_нас*в, т, (44)

где с_нас - насыпная плотность материала в сушилке, т/м³;

в - коэффициент заполнения барабана материалом,

V_б - объем барабана, м³;

G_м = 100,48*1,9*0,12 = 22,92 т;

Следовательно, для нагрева 265 тонн шихты барабан должен совершить 265/22,92 = 11,562 циклов. Тогда длина слоя будет равна:

L = 11,562*11,7 = 135,275 м.

Барабан заполнен шихтой на 12%. Графическим способом найдем ширину слоя. Она равна 2,24 м.

Q_конв = 1,44 *(120-20)*135,275*2,24/1000000 = 0,243 Гкал/ч = 1,02 ГДж/ч.

Формула для лучистого теплообмена имеет вид:

Q_луч = , Гкал/ч , (45)

где c_пр- приведенный коэффициент излучения, ккал/(м²*ч*°С⁴), который равен:

c_пр = , ккал/(м²*ч*°С⁴), (46)

где е₁ и е₂ - степени черноты дымовых газов и шихты.

Газы могут излучать и поглощать лучи лишь некоторых длин волн, а для остальных длин они теплопрозрачны. Двухатомные газы практически теплопрозрачны во всем диапазоне длин волн. Следовательно, степень черноты дымовых газов будет складываться из степеней черноты CO₂ и H₂O, взятых при температуре дымовых газов внутри барабана.

c_пр = =1,4 , ккал/(м²*ч*°С⁴);

Q_луч =с_пр* *303,016 = 3,369 Гкал/ч = 14,12 ГДж/ч.

Как видно из вычислений, теплоотдача лучами имеет гораздо большее влияние на процесс теплообмена, чем конвекция. Это является следствием малой скорости движения в барабане дымовых газов, которая является важной характеристикой конвекции.

Полезная теплота, воспринятая водой и шихтой при расходе топлива 4000 м³/ч, будет равна:

Q_пол = Q_конв + Q_луч, Гкал/ч, (47)

Q_пол = 0,243 + 3,369 = 3,612 Гкал/ч = 15,13 ГДж/ч.;

Ранее посчитанное значение было Q_пол = 3,7048 Гкал/ч. Так как зависимость между полезно затраченной теплотой и количеством топлива нелинейна, то найти нужное количество топлива, составив пропорцию, нельзя. Поэтому нужно описать процессы горения и теплопередачи в программе Microsoft Excel, используя основные уравнения и зависимости. В итоге получено значение B = 4081 м³/ч.

Количество топлива, требуемое для горения, изменилось. Следовательно, изменились и все основные параметры процесса. Пересчитаем их с новым B = 4081 м³/ч.

Пересчитаем коэффициент избытка воздуха б:

б = (V_подс+ V_в)/ V_в (48)

б = (5524+ 3383)/ 3383=2,63.

Рассчитаем продукты горения, приходящиеся на 1 м³ доменного газа. Общий объем продуктов горения при сжигании с принятым в расчете коэффициентом избытка воздуха равен сумме объемов отдельных составляющих:

V_б = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2 (49)

V_CO2 = 0,01*(CO₂ + CO + CH₄ + 2*C₂H₄), м³/м³ (50)

V_CO2 = 0,01*(19,441 + 23,934) = 0,434, м³/м³;

V_H2O = 0,01*( H₂ + 2*C₂H₄ + 2*CH₄ + H₂S +H₂O+

+ 0,16*d*L_т'*б), м³/м³ (51)

V_H2O = 0,01*(10,355 + 2,309 + 0,16*10*0,829*2,67) = 0,162, м³/м³;

V_N2 = 0,01*N₂ + 0,79* L_т'*б, м³/м³ (52)

V_N2 = 0,01*43,961 + 0,79*0,829*2,63 = 2,164, м³/м³;

V_О2 = 0,21*(б-1)* L_т' , м³/м³ (53)

V_О2 = 0,21*(2,63-1)* 0,829 = 0,284 , м³/м³;