Теплотехнический расчет вращающейся печи

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

В курсовом проекте рассчитан технологический расчет вращающейся печи для обжига бокситов производительностью по спеку 20 тонн в час, и рассчитан материальный и тепловой баланс.

Пояснительная записка содержит 40 страниц, 16 таблиц,  7 литературных источников.

Ключевые  слова: ГЛИНОЗЕМ, ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ, КАЛЬЦИНАЦИЯ, СПЕКАНИЕ.

Расчет  проводился на основании практических данных. По принятой методике произвели тепловой и материальный расчеты для определения внешнего теплообмена, а так же теплообмена в рабочей зоне аппарата. Полученные результаты были оценены с помощью данных балансового исследования печи.

На основании  балансовых данных в курсовом сделан подтверждающий вывод, о том что процесс обжига бокситов во вращающейся печи – является сложным энерго – и материально – емким процессом.

Расчет горения топлива  заданного условием состава, в котором  был определен теоретический расход воздуха на горение, который составил 10,205 м³/м³ и действительный 12,451 м³/м³, теплоту сгорания топлива Q_н^р=38886 кДж/м³, состав и количество продуктов сгорания, определена теоретическая (1890 ˚С) и действительная (1512 ˚С) температуры горения природного газа.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение  …………………………………………………………………  …....5

1.Описание  конструкции проектируемого агрегата  …………………. …… 7

2.Описание  тепловой работы проектируемого  агрегата………………….. ..9

3.Расчеты  материального баланса………………………………………….. 13

3.1.Расчет  минералогического состава боксита……………………………13

3.2.Расчет  минералогического состава известняка шихты………………..13

3.3.Расчет  шихты……………………………………………………………..14

4.Технологические  расчеты………………………………………………….20

4.1.Расчеты  конечных продуктов…………………………………………... 20

4.2.Расчет  горения топлива…………………………………………………. 24

4.3.Определение  основных размеров печи………………………………….25

5.Расчеты  теплового баланса……………………………………………...... .35

Заключение…………………………………………………………………... .41

Список литературных источников...……………………………………….. .42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В мире накоплен значительный опыт конструирования и эксплуатации печей различного назначения. Большое  разнообразие конструкций печей, применяемых  в промышленности, обусловлен прежде всего чрезвычайно широким спектром технологических процессов, осуществляемых при производстве и дальнейшей тепловой обработке разнообразных материалов. Диапазон рабочих температур может изменяться в широких пределах в зависимости от  выбранной конструкции и исходных данных, необходимых для расчета промышленной печи. При этом следует, прежде всего учитывать особенности технологического процесса, осуществляемого в данном агрегате. Основное назначение металлургической печи состоит в том, чтобы создать в рабочем пространстве, изолированном от окружающей среды, наиболее благоприятные условия для реализации соответствующего технологического процесса. При этом необходимо учитывать закономерности, характеризующие процесс теплогенерации, механизм движения газов и теплообмен. Необходимо принимать во внимание взаимосвязь между условиями работы данной печи  и условиями работы огнеупоров, возможность внутрипечного пылеосаждения или создания надежных систем очистки отходящих газов от пыли и т.д. Надежно работающая печь с экономным и рациональным использованием ее тепловой мощности является той базой, на основе которой можно решить практически любые технологические вопросы.

Вращающиеся  барабанные печи широко применяются  в различных отраслях техники  и промышленности  для термообработки сыпучих материалов, в том числе в процессах переработки бокситовых руд со значительным содержанием кремния. Переработка этого сырья производится в основном  с целью получения спеченного глинозема, являющегося ценным материалом для производства  особо термостойких и износостойких изделий различного назначения. Спеченный (кальцинированный) глинозем, в отличии от глинозема, полученного методом плавки, имеет микропористую структуру и обладает высокими техническими, электротехническими и эксплуатационными свойствами как в свободном неформованном виде, так и в составе изделий и деталей. К таковым относятся повышенные  характеристики по:

- механической  прочности  и устойчивости  к механическому истиранию и  износу;

- огнеупорности  и стойкости к термическим ударам;

- увеличению  ресурса и срока службы , в том числе трущихся узлов и деталей, эксплуатирующихся в тяжелых условиях и при отсутствии смазки;

- точности  размеров и форм поверхностей  контакта деталей; 

- электроизоляционным  свойствам и др.

Кальцинированный  глинозем нашел применение в химической и стекольной промышленности, а также в производстве следующей продукции с высокими специальными характеристиками:

-  особо твердых  корундов и изделий с их использованием;

-  огнеупорных  материалов и изделий; 

- различных видов технической, электротехнической, износостойкой и бытовой керамики.

Из термических  способов производства глинозема наибольшее промышленное применение получил  метод щелочного спекания, основанный на получении алюмината натрия. Сущность метода спекания заключается в образовании алюмината натрия при высокой температуре в результате химических взаимодействий в смеси алюминиевой руды, соды и известняка. Полученный при этом пористый спек выщелачивается водой. Раствор алюмината натрия после выщелачивания разлагается углекислым газом с выделением в осадок гидроксида алюминия, который в этом процессе подвергается также кальцинации для получения безводного глинозема. Цель спекания является перевод содержащегося в руде алюминия в форму водорастворимого алюмината натрия и связывания кремнезема в малорастворимые кальциевые силикаты.

 

 

1 ОПИСАНИЕ  КОНСТРУКЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО АГРЕГАТА

Вращающиеся печи широко применяют для нагрева  сыпучих материалов в различных  отраслях промышленности. Корпус печи представляет собой сварной металлический  барабан диаметром до 5 м и длиной до 185 м, футерованный изнутри огнеупорным  кирпичом. Барабан сваривают из листовой стали. Как правило, диаметр барабана по всей длине одинаков. Футеровка барабана работает в тяжелых условиях, что связанно с периодическими перепадами температур на поверхности кладки, обусловленными вращением печи и пересыпанием находящегося в ней материала. Перепад температур при входе и выходе из-под слоя шихты составляют 150...200°С. В зоне спекания на футеровку сильное химическое и абразивное воздействие оказывает материал. В зоне сушки кладка подвержена значительному истиранию цепями или отбойными устройствами. Основным материалом для футеровки печей глиноземного производства служит шамот. Высокотемпературные зоны печи выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового и периклазошпинелидного огнеупорного кирпича. Толщина футеровки составляет 230... 350 мм. Чтобы предотвратить разрушение футеровки при остановках печи, барабан должен вращаться до ее полного охлаждения. На наружной поверхности барабана закрепляют стальные опорные бандажи в виде неразрывных колец шириной 400... 800 мм. Каждый бандаж опирается на два ролика, вращающиеся во время работы печи. Ширина роликов обычно на 50...100 мм больше ширины бандажа. Опорные ролики установлены на массивных стальных плитах, укрепленных на железобетонных фундаментах таким образом, что барабан печи имеет небольшой уклон к горизонту, составляющий 1...3 град. Как правило, уклон задают в процентах от общей длины печи (2...4 %). Барабан вращается вокруг своей оси со скоростью 0,6...2,0 об/мин, регулирование числа оборотов барабана производят специальным устройством. Для остановки вращения печи в любом положении служит электромагнитный фрикционный тормоз, через обмотку которого во время работы печи постоянно пропускается ток. Когда подача тока прекращается, электромагнит выключается и отпускает колодки тормоза, которые и зажимают приводной вал. Верхний торец печи входит в загрузочную камеру. Сухую шихту загружают в печь с помощью шнекового питателя через патрубок, расположенный в загрузочной камере. Пульпу подают в печь через пульповую трубку ковшом-дозатором или с помощью специальной форсунки. Уловленную пыль возвращают в печь вместе с шихтой, подавая ее либо через дозатор, либо в специальный смеситель. Нижний конец печи входит в загрузочную (или топочную) камеру. Между ней и барабаном ставят специальное кольцевое уплотнение, перекрывающее щель между вращающимся барабаном и неподвижной камерой. Общий вид с основными сечениями, разрезами и габаритными размерами печи в соответствии с аналогичными существующими конструкциями[4], представлены на чертеже. 
2 ОПИСАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО АГРЕГАТА

Тепловая  работа любой печи характеризуется  рядом показателей, важнейшими из которых  являются тепловой и температурный  режимы, производительность печи, удельный расход топлива и коэффициент  полезного действия. Тепловой режим  характеризует изменение во времени  тепловой нагрузки, т.е. количества теплоты, подаваемой в печь в каждый момент времени, а температурный режим  представляет собой изменение температуры  печи во времени или по длине печи.

В рабочем  пространстве вращающейся печи протекают  процессы выделения теплоты при  сжигании топлива, движения газовой  среды и материала, внешнего и  внутреннего теплообмена. Эффективность  тепловой работы печи зависит от того, насколько совершенно осуществляются в ней эти процессы. От организации  тепловой работы вращающихся печей  зависят не только производительность и экономичность процесса производства глинозема, но и срок службы печи и качество конечного продукта. Процесс спекания осуществляют при достаточно высоких температурах. По мере изменения температуры по длине рабочего пространства вращающихся печей происходят процессы с образованием различных неустойчивых соединений.

В пламенных печах одним  из основных и наиболее эффективных  способов улучшения их тепловой работы является интенсификация теплообменных  процессов за счет совершенствования  процессов горения. Рациональное сжигание топлива позволяет создать в  рабочем пространстве вращающихся  печей необходимые температурный  и газовый режимы, предусмотренные  технологией глиноземного производства.

При нагреве сыпучих  материалов во вращающихся печах  теплота поступает в зону технологического процесса за счет одновременного протекания всех трех видов теплообмена. На участках, где температура продуктов сгорания достигает 1200...1600°С, осуществляется радиационный режим работы печи. По мере продвижения продуктов сгорания топлива по длине печи они охлаждаются до нескольких сот градусов и режим тепловой работы печи постепенно становится конвективным. Конкретное распределение в печи зон с конвективным и радиационным режимами работы зависит от вида и параметров технологического процессов. С точки зрения внешнего (по отношению к нагреваемому материалу) теплообмена вращающаяся печи может быть условно разделена на энергетически однородные участки - тепловые зоны, в пределах которых температуру, радиационные характеристики и коэффициент теплоотдачи от газов к материалу можно считать постоянными величинами. Кроме того, в рабочем пространстве происходит и так называемый внутренний теплообмен: поступившая в слой материала теплота распределяется в нем путем теплопроводности. При вращении барабана печи происходит энергичное перемешивание сыпучего материала, температура по высоте слоя практически выравнивается и его можно считать тонким в тепловом отношении телом, нагрев которого может сопровождаться эндо- и экзотермическими реакциями. Перенос теплоты в кладке печи происходит также вследствие теплопроводности. Изменение температуры внутренней поверхности футеровки во времени носит циклический характер. Время цикла равно времени полного оборота печи. Условно его делят на два периода. В первом периоде поверхность кладки находится в контакте с греющими газами и постепенно нагревается, получая от нее теплоту излучением и конвекцией. Ко второму периоду относят время ее контакта с нагреваемым материалом, в течение которого температура поверхности кладки снижается. Анализ данных расчета поля температур кладки, полученных при решении уравнения теплопроводности с использованием численных методов, показал, что колебания температуры во времени происходят на определенном расстоянии от поверхности футеровки, получившим название глубины проникновения тепловой волны. Колебания температуры, достигающие на внутренней поверхности барабана при входе и выходе ее из-под слоя шихты нескольких сотен градусов, распространяются на глубину 1...5 см., чем ближе к поверхности, тем выше термические напряжения, возникающие в кладке, и тем больше вероятность ее разрушения (трещины, сколы и т.д.).

Вращающиеся печи глиноземного производства работают в режиме противотока. Максимальную температуру и газы, и материал имеют со стороны топливной камеры, а минимальную - со стороны загрузочной  камеры.

Температурный режим работы вращающихся печей  не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологического процесса и в значительной мере определяется химическим и фракционным составом перерабатываемых материалов. Обычно его устанавливают опытным путем  и организуют таким образом, чтобы  в печи строго соблюдался график нагрева  шихты, соответствующий технологии данного процесса.

Рассмотрим  температурный режим процесса спекания бокситов. Все рабочее пространство вращающейся печи можно условно  разделить на четыре зоны, в которых  происходят определенные изменения  обрабатываемой шихты.

Первая  зона, которую называют зоной сушки  и обезвоживания, находится в  верхней части печи со стороны  загрузки шихты. Вначале из шихты  испаряется внешняя влага, и температура  материала при этом остается практически  неизменной близкой к 100 °С. Затем температура высушенной шихты возрастает до 600 °С. Движущиеся навстречу ей газы охлаждаются от 1100 до 240 °С.

Во второй зоне, называемой зоны кальцинации, температура  шихты продолжает расти и достигает 1000 °С. В этой зоне происходит полное разложение карбоната кальция, требующее  затрат теплоты, поэтому температура  газов снижается с 1300 до 1100 °С.

Третья  зона - зона спекания - характеризуется  максимальными значениями температур как шихты (1000...1200 °С), так и газов (1350...1450 °С), так как именно здесь  происходит горение факела. В третьей  зоне полностью разлагается Na₂CО₃ и завершается процесс спекания.

Четвертая зона - зона охлаждения - располагается  за срезом заглубленного в печь топливосжигающего  устройства, т.е. за горящим факелом. Благодаря потоку идущего из холодильника воздуха, имеющего температуру 150...300°С, обеспечивается охлаждение спека до температуры 1000°С, что резко увеличивает его механическую прочность (по сравнению с размягченным состоянием), необходимую для перегрузки в расположенный снизу холодильник.

Нужно учитывать, что качество готового продукта, получаемого  во вращающихся печах, определяется не только кинетикой, но и движением  материала, т.е. временем его пребывания в печи. В зависимости от того, насколько мгновенные скорости отдельных  частиц отличаются от средней скорости движения материала (при постоянном распределении температуры по длине  печи), изменяется степень превращения  каждой частицы и, следовательно, фазовый  состав глинозема. Наличие в печи частиц с различными скоростями движения и неопределенность соотношения  таких частиц из-за технологических  возмущений, нарушающий установившийся режим, затрудняют надежный контроль и  регулирование тепловой работы печей. В то же время одной из главных  задач оперативного управления является поддержание всех параметров на заданном уровне, что возможно только при  своевременной и непрерывной  информации о качестве целевого продукта.