Теплотехнический расчет вращающейся печи

 

Таблица 11 - Состав и количество технологических газов

Параметр		Всего	СО2	Н2О
Количество, кг		167,12	28,53	138,59
Объем, м3		271,59	14,55	257,04
Состав % вес.		100,00	17,07	82,93
Состав % об		100,00	5,36	94,64

 

 

Таблица 12 - Оптимальный состав спека, кг

Соединения	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	Na2O	Прочие
Na2О×Аl2O3	88,51	55,05	-	-	-	-	33,46	-
Na2О× Fe2O3	-	-	-	-	-	-	-	-
Na2О×ТiО2	-	-	-	-	-	-	-	-
CaO× SiO2	51,85	-	-	34,97	-	16,88	-	-
Прочие	-	-	-	-	-	-	-	-
Итого	140,36	55,05	-	34,97	-	16,88	33,46	-

 

Таблица 13 - Материальный баланс процесса спекания (без учета процесса горения топлива)

№	Материалы и продукты	Всего			Аl2O3	SiO2	Fe2O3	ТiО2	CaO	СО2	Na2O	H2Oсвяз	H2Oвн	Проч.
		кг	%
Поступило
1	Боксит влажный	105		35,17	52,12	9,28	-	-	-	-	-	19,60	5,00	19,00
2	Известняк	31,25		10,47	-	0,8	-	-	16,88	12,24	-	-	1,21	0,12
3	Белый шлам	6,20		2,08	1,55	1,24	-	-	-	-	1,55	0,287	0,735	-
4	Оборотный раствор	153,00		51,24	1,38	-	-	-	-	14,99	24,02	-	112,61	-
5	Сода кальциниров.	3,13		1,05	-	-	-	-	-	1,30	1,83	-	-	-
	Итого	298,58		100	55,05	11,32	-	-	16,88	28,53	27,10	19,89	119,56	19,12
Поступило
1	Спек	140,36		45,65	55,05	34,97	-	-	16,88	-	33,46	-	-	-
2	Пыль	44,00		14,31	17,46	3,41	-	-	5,35	9,04	8,69	-	-	-
3	Газы	167,12		54,35	-	-	-	-	-	28,53	-	138,59	-	-
	Невязка	- 44,00		- 14,31	- 17,46	- 3,41	-	-	- 5,35	- 9,04	- 8,69	-	-	-
	Итого	307,48		100,00	55,05	34,97	-	-	16,88	28,53	33,46	138,59	-	-

 

 

4.2 Расчет горения топлива

Содержание водяных паров в газе:

=1,229%.

Пересчет состава природного газа с учетом содержания водяных паров производится по формуле: .

Результаты пересчета  для газа заданного состава приведены в таблице 14.

Таблица 14 - Состав природного газа с учетом водяных паров

Газовый компонент	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	СО2	N2
	90	4	2	2	1	1
,%	88,89	3,95	1,98	1,98	0,988	0,988

 

Потребное количество чистого кислорода для сжигания 1м3 топлива:

) =2,144кг/м3

Теоретический расход воздуха на горение 1м3 топлива:

                                       L₀=V_O2 /( =10,205 м³/м³,

где =const=0,21 – процентное содержание кислорода в воздухе[2].

Действительный расход воздуха на горение:

                             L_a=L₀×a =12,451 м³/м³;

Объемы отдельных составляющих продуктов сгорания:

                     - V_a^CO2=0,01×[^.+× C_mH_n^в.г.]= 1,116м³/м³;

          - V_a^H2O=0,01×[ ^.+× C_mH_n^в.г.]=0,553 м³/м³;

          - V_a^N2=0,01×^.+k× V_O2×a =9,84 м³/м³;

V_a^О2_изб.=(a-1)× V_O2 = 0,472 м³/м³.

Суммарный выход сгорания продуктов при a=1,22:

V_a= V_a^CO2 +V_a^H2O +V_a^N2 +V_a^О2_изб.=11,981 м³/м³.

 

 

Таблица 15 - Состав продуктов сгорания (:

Компонент ПС	СО2	Н2О	N2	О2	Всего
Объемная доля, м3/м3	1,116	0,553	9,840	0,472	11,981
Процентная доля, %	9,310	4,620	82,130	3,940	100

 

Низшая теплота сгорания топлива (по сухому газу):

Q_н^р= 358×CH₄^с.г.+636×C₂H₆^с.г.+913×C₃H₈^с.г.+1185×C₄H₁₀ =38886 кДж/м³.

Химическая энтальпия продуктов сгорания с учетом химического недожога (q₃/Q_н^р=2%) вследствие неравномерности распределения топлива в объеме печи:

= 3180,73кДж/м³;

Содержание воздуха в продуктах сгорания:

                  =18,75%.

  Теоретическая температура горения природного газа при [3]:

t_a^т = 1890 °С.

Действительная  температура  горения при пирометрическом  коэффициенте h_пир=0,8:

t_д= 1512°С.

 

4.3 Определение основных размеров печи

 Диаметр  барабанной печи из условия  оптимальной скорости движения  газового потока:

                        ~5,000м, где:

- м³/с – общий расход отходящих газов с учетом средней температуры газов в печи °С;

- =33,38м³/с – расход отходящих газов с учетом среднего времени пребывания материалов в печи;

- V_å=V_Д+GV_H2O+V_CO2) =8410,80м³ - общее количество отходящих газов из печи - сумма продуктов сгорания и технологических газов в соответствии с данными  материального баланса процесса спекания(см. табл. 11, 14);

- V_д=q¢V_amcп/Q_н^р = 5068,40м3 - объем газообразных продуктов горения топлива;

- q = 5860 кДж/кг – удельный расход теплоты на 1 т спека[3];

- m_сп - выход спека из боксита (см. табл. 9);

5м/с – принятая средняя скорость газов при пылевыносе из печи 20%.

Производительность печи по бокситу:

=14,249т/ч;

Cреднее время пребывания шихты в печи:

t=1/G_Б=0,070 ч/т.

При использовании  двухслойной футеровки, состоящей  из высокоглиноземистого кирпича размером 250 мм и слоя тепловой изоляции 30 мм при толщине стенки кожуха 20 мм, наружный диаметр печи будет равен D_печи=5+0,25×2+0,03×2+0,02×2=5,6 м.

Длина зоны сушки печи:

 =12,58м, где

- = 43,81т/ч - производительность печи по шихте;

- 0,451= исходная относительная влажность шихты (табл.13);

- = 0 – конечная относительная влажность;

- 0,08т/(м2ч) - напряжение рабочего пространства сушильной зоны по влаге с учетом способа загрузки распылом;

- F==19,625м2 – площадь поперечного сечения печи.

Длина зоны подогрева печи (зона удаления связанной воды и подогрева шихты с до =750:

                               

- температура газов на  входе в зону принимается равной 1250 °С;

- унос материала из зоны подогрева - 25 % от общего пылеуноса.

- затраты теплоты, поступающей  в зону подогрева:

  нагрев шихты до 750 °С:

Q_нш=×()×( )=90945кДж,

где 0,96 кДж/(кг • К) - теплоемкость шихты;

испарение влаги  и нагрев паров воды:

_×(2257+)22,4) =68268кДж, где:

- =1,574 кДж/(моль×К) - теплоемкость паров воды;

- q_Н2О=   2257 кДж/кг - удельная теплота испарения воды;

подогрев  пыли до 750 °С:

Q_п=()=6040,8 кДж;

 разложение гидроксида алюминия по реакции

2Аl(ОН)_з = Аl₂О_з + ЗН₂О - 2580 кДж :

_{2580 =} 94480кДж;

 на разложение каолинита по реакции

Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O= Al₂O₃×2SiO₂+2H₂O - 934 кДж :

            ×934 = 7388 кДж;

 

Тепловой эффект обезвоживания  алюмосиликатов:

+ =14087 кДж, где:

- m_1p, m_2p, - расходы гиббсита и каолинита;

- _1p^H2O, _2p^H2O, - молекулярные массы гиббсита и каолинита;

- t_1p,=550 t_2p=450 - температуры протекания соответствующих реакций[1];

- 750 -температура газов, выходящих из зоны подогрева.

Итоговое  теплопотребление в зоне подогрева:

= 278505кДж.

Ширина слоя (хорда l_х) и контактная поверхность его с барабаном (1_q) определяется исходя из размеров сегмента материалов в поперечном сечении участка. В соответствии с рекомендациями[5] принимается центральный угол в зоне подогрева - 82,5°, тогда:

l_x=D_пsinα/2=5·sin(82,5/2)=3,296 м.

L_q=πD_пsinα/360=3,14·5·82,5/360=3,598 м.

Эффективная длину лучей газового потока:

=7,47м, где:

м;

φ = 6,8 % - принятое значение коэффициента заполнения барабана печи (из диапазона φ= 5,6 - 8,0 %);

S_пер. = = м - периметр свободного сечения печи.

Состав газов по зонам:

- согласно данным расчета процесса горения топлива при сжигании 100м3 природного газа в продуктах сгорания  присутствуют: 111,6 м³ СО₂+ 55,3 м³ Н₂О+ 984,0 м³ N₂+47,2 м³ О₂;

- для зоны спекания СО₂=9,315 %; Н₂О=4,620 %; N₂=82,130 %; О₂=3,940 %;

- для зоны кальцинации (зоны полного разложения карбонатов):

       - объем газов от горения топлива: 1198,1·0,25=299,5 м³ (расход топлива принимается 25% от веса сухого боксита[6]);

       - общий объем газов в зоне кальцинации: 14,55+299,5=314,08 м³( с учетом объема  СО₂, выделившегося при разложении карбонатов (см. табл. 11) в количестве 14,55 м³);

       - средний объем газов в зоне кальцинации: 299,5+0,5·14,55=306,78 м³;

      - состав газов в зоне кальцинации:

- СО₂=25,74%; Н₂О=4,51%; О₂=3,84%; N₂=80,19%;

- для зоны подогрева при переходе в газовую фазу19,89 кг Н₂О из исходной шихты ( 19,89·22,4/18=24,75 м³):

   - общий объем газов в конце зоны подогрева 306,78+14,55=321,33м³.

   - средний объем газов  =306,78+0,5·14,55=314,06 м³;

   - содержание компонентов в газах зоны подогрева:

- СО₂=32,53%; Н₂О=29,98%; О₂=3,76%; N₂=78,33%;

 

- для зоны сушки при переходе в газовую фазу из шихты внешней влаги в количестве 119,56 кг (= 119,56·22,4/18=148,79 м³):

              - общий объем газов в конце зоны сушки ^{равен объему отходящих газов);}

              - средний объем газов в зоне  сушки =148,79·0,5+321,33=359,73 м³;

             -  состав газов в зоне сушки:

- CO₂=31,58%; H₂O=28,55%; O₂=2,98%; N₂=62,16%.

Средняя температура газов в зоне подогрева  ( формула логарифмического усреднения между газами и материалом печи):

 

+960

  - t_г^н=1250°С – температура газа на входе в зону подогрева;

- t_г^к=750°С – температура шихты на выходе зоны подогрева;

- t_ш=450°С – температура реакции обезвоживания каолинита в зоне подогрева.

Степень черноты  СО₂, Н₂О и продуктов сгорания в зоне подогрева[7]: =0,2; =0,63; =0,83.

Степень развития кладки в зоне подогрева:

                                    

Приведенный коэффициент излучения в зоне подогрева:

= 4,22 Вт/(м²·К⁴), где:

- С₀=5,67 Вт/(м²·К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- =0,75 – степень черноты материала шихты;

- к=1 – коэффициент однородности  материала шихты.

Величина теплового потока излучением:

] =86005Вт/м2.

Средняя скорость движения газов в зоне подогрева:

1,39м/с,

где F-= 1,335м2.

Конвективный тепловой поток:

=7426,4Вт/м2,

где С_Vг =10,476кДж/(м3 – теплоемкость газов.