Теплотехнический расчет вращающейся печи

Средняя температура кладки:

                           =(960+273)/2=705°С.

Тогда приведенный коэффициент излучения и лучистый тепловой поток, воспринимаемый кладкой:

= 3,00 Вт/(м²·К⁴);

] =19248Вт/м2, где - степень черноты материала кладки.

Длина зоны подогрева:

= 43,18м.

 

Средняя температуpa газов в зоне кальцинации:

                                  ˚С, где:

- t_г^н=1400°С – принятая начальная температура в зоне кальцинации;

- t_г^к=1250°С – конечная температура в зоне кальцинации;

- t_ш=875°С – температура шихты в зоне кальцинации.

Средняя температуpa кладки в зоне кальцинации:

                                             t_к=(1320+875)/2=1100 °С.

Состав газов  в зоне кальцинации (в соответствии с предыдущими расчетами): 25,74% СО₂; 4,51% Н₂O.

В зоне кальцинации происходит термическое разложение карбонатов, натриевого алюмосиликата, образование  основной массы (до 90 %) алюмината натрия и двухкальциевого силиката, появляется небольшое количество жидкой фазы. Температура шихты на выходе из зоны достигает 1000°С, температура газов на входе в зону - 1400 °С. Унос пыли составляет 25 % от общего пылеуноса.

Теплопотребление в зоне кальцинации:

нагрев шихты (спека) до 1000 °С:

                  = 0,88·140,36·(1000-750)·20=617584 кДж=617,60 МДж, где

С_сп = 0,88 кДж/(кг·К) - теплоемкость спека;

подогрев  пыли до 1250 °С:

                  = 0,96·44,00·(1250-750)·16= 422400кДж=422,40 МДж, где

С_п = 0,96 кДж/(кг·К) - теплоемкость пыли;

нагрев технологических  газов (СО₂) до 1250 °С:

              = 2,202·14,55·(1250-750)·20=320391 кДж=320,39 МДж;

затраты тепла на разложение карбонатов по реакции

СаСО_з=СаО+СО₂ - 178000 кДж с массой в шихте

 табл.13):

202984кДж=202,98МДж; затраты тепла на разложение карбонатов по реакции

Na₂CO₃ =Na₂O+СО₂ - 322000 кДж с массой в шихте

         табл.13):

        2606377кДж=2606,38МДж;

затраты тепла при разложении натриевого алюмосиликата по реакции Na₂O·Аl₂Оз·2SiО₂=Na₂O+Аl₂О₃+2SiO₂ - 261000 кДж в количестве   кг из расчета по SiO₂ в белом шламе на 1 тонну шихты:

= 53937кДж = 53,94МДж.

Теплота образования алюмината натрия по содержанию Аl₂О_з в спеке (см.табл.13) по реакции Na₂O+Аl₂О_з=Na₂O·Аl₂О₃ + 230000 кДж:

= 2482647 кДж = 2482,65МДж.

 еплота образования двухкальциевого силиката устанавливается по содержанию СаО в спеке по реакции 2СаО+8SiO₂=2CaO·SiО₂ + 119000 кДж:

358700кДж =358,70 МДж.

Суммарное теплопотребление в зоне кальцинации:

= =1338,44МДж.

 

Ширина слоя (хорда l_x) и контактная поверхность слоя с барабаном (1_q) исходя из соотношений размеров сегмента спекаемых материалов в поперечном сечении участка:

                              l_x=D_пsinα/2=5sin(/2)=3,13 м;

                    l_q=πD_пα/360=π·5(/360)=3,38 м, где =77,5 - центральный угол в зоне кальцинации[5].

Эффективная длина лучей газового потока:

= м, где

- S_п == - периметр свободного сечения печи.

Площадь свободного сечения печи:

                    

_{где φ =5,9 – коэффициент заполнения барабана печи  (φ =4,8-7,0%[5]).}

Площадь сечения печи, занятая шихтой:

=1,16м2.

Степень черноты  СО₂, Н₂О и продуктов сгорания в зоне кальцинации[7]: =0,17; =0,3024; =0,4724.

Степень развития кладки в зоне кальцинации:

=3,94

Приведенный коэффициент излучения в зоне кальцинации:

Вт/(м²·К⁴).

Величина теплового потока излучением:

Вт/м².

Средняя скорость движения газов в зоне кальцинации:

1,39м/с,

где F-= 1,335м2.

Конвективный тепловой поток:

q_k=4145,45 Вт/м².

Лучистый  тепловой поток при средней температуре кладки t_k=1100°С:  

54505,21Вт/м2.

Длина зоны кальцинации:

=5,11м.

 

 

Протяженность зон спекания L_сп и охлаждения L_охл рассчитывается по необходимому времени пребывания шихты и спека в печи. (τ_сп=0,4 ч, τ_охл=0,25 ч[1]). Скорость движения спекаемых материалов определяется для печи со следующими параметрами:

 - угол наклона печи =2,5 %;

- скорость вращения печи п=1,0 об/мин;

- синус угла естественного откоса материалов в зоне спекания sinθ_сп=0,8;

- то же для зоны охлаждения – sinθ_охл =0,72.

Скорость движения материалов в зоне спекания и охлаждения для перечисленных условий:

= 29,38м/ч;

=32,63м/ч.

Длина зоны спекания:

= 11,75м.

Длина зоны охлаждения:

= 8,158м.

Полная длина печи:

 

 

 

 

 

5 Расчеты теплового баланса

Расчет  ведется на 1 т глинозема.

1 Статьи прихода.

1.1 Теплота сгорания топлива:

                                     Q_x= G_t·Q_н^р= G_t 38886кДж, где G_t – расход топлива).

1.2 Физическая теплота воздуха при использовании колосникового холодильника с подогревом воздуха до температуры 200°С:

                           Q_в=G_t C_вtв= G_t· 3252,20кДж, где С_в = 1,306 кДж/(кг

 

1.3 Физическая теплота пульпы с температурой t_ш = 50°С[1]:

                                  Q_ш=C_шt_шm_ш=3595,5·16·0,96·50=3595500кДж,где С_ш=3595,5 кДж/(кг

1.4 Теплота экзотермических реакций образования алюминатов натрия и двухкальциевого силиката,  протекающих в основном в зоне кальцинации:

=2.840.750кДж.

Общий приход теплоты в печь:

(G_t∙42138+6.436.250)кДж.

 

2 Статьи расхода.

2.1 Физическая теплота спека при температуре 1000 °С:

                     Q_cп=C_спG_спt_сп= 1.253.912кДж, где С_сп=0,88 кДж/(кг

 

2.2 Физическая теплота пыли при температуре отходящих газов 250 °С:

                             Q_п=G_пC_пt_п=96800 кДж (С_п =С_сп).

 

2.3 Теплота эндотермических реакций: испарение влаги; разложение гиббсита гидраргиллита, каолинита, карбонатов, алюмосиликатов; образование алюмината натрия и двухкальциевого силиката:

Q_энд==5.897.470кДж.

 

 

2.4 Теплота отходящих газов, состоящих из продуктов сгорания топлива  и технологических газов :

Q_г=G_t∙ C_г ∙Vα+C_CO2VCO2+C_{H2O tд}V_H2O = (G_t∙2995,25+ +1.051.170)кДж, где С_i – теплоемкости соответствующих компонентов, кДж/(кг

2.5 Потери теплоты через стенку теплопроводностью  по зонам:

, кДж, где:

- 5,50м – наружный диаметр кладки (футеровки) барабана печи;

- =0,25м – толщина кладки;

- =5,56м – наружный диаметр теплоизоляции барабана печи;

-= 0,03м – толщина слоя теплоизоляции;

- =5,60м – наружный диаметр барабана печи;

-= 0,03м – толщина слоя теплоизоляции;

- λ_кл =0,7 Вт/(м2∙гр) – теплопроводность материала кладки (шамотный кирпич);

- =0,163; =0,213;=0,247;=0,259;=0,15 Вт/(м2∙гр) – теплопроводности материалов теплоизоляции по соответствующим зонам;

- =0,06 – тепловое сопротивление при передаче тепла от наружной стенки печи окружающему воздуху;

- зона сушки:

- температура материала на входе 40°С;

- температура на выходе 150°С;

-  средняя температура °С.

- температура газов на входе 750°С;

- температура газов на выходе 250°С;

- средняя температура °С;

- общее количество теплоты, теряемое в окружающую среду в зоне сушки:

= 26681,54 кДж;

- зона подогрева:

- температура материала на входе  150°С;

- температура на выходе 750°С;

- средняя температура °С;

- температура газов на входе 1250°С;

- температура газов на выходе 750°С;

- средняя температура газов °С;

- общее количество теплоты, теряемое  в окружающую среду в зоне  подогрева:

= 228148,8 кДж;

- зона кальцинации:

- температура материала на входе 750°С;

- температура на выходе 1000°С;

- средняя температура °С;

- температура газов на входе 1400°С;

- температура газов на выходе 1250°С;

- средняя температура газов °С;

- общее количество теплоты,  теряемое в окружающую среду в зоне кальцинации:

= 69739,7 кДж;

 

 

- зона спекания:

- средняя температура материала 1200°С;

- средняя  температура газов 1440°С.

- общее количество теплоты, теряемое в окружающую среду в зоне спекания:

= 97037,7 кДж;

- зона охлаждения:

- температура материала на входе  1200°С;

- температура на выходе 1000°С;

- средняя температура °С;

- средняя температура газов  300°С;

- общее  количество теплоты, теряемое  в окружающую среду в зоне  охлаждения:

= 38444,4 кДж.

Общие потери теплоты за счет теплопроводности:

26681,54+228148,8+69739,7+97037,7+38444,4=460052,14 кДж.

Потери тепла излучением через торец печи, примыкающий к зоне спекания:

                                         _{=3239,56кДж,}

где:

• Т_max=1440+273=1713 – максимальная температура газов;
• температура газов в области форсуночной головки топливо-распылительного устройства:

- в первом приближении принимается нулевое увеличение температуры газов в области головки - =0, что соответствует Т_гол=873;

- во втором приближении вычисляется :

- с поправкой на =114,02;

- F_бар=19,625м2 – площадь торца печи;

- Ф=0,38 – коэффициент дифрагмирования печи[7].

Общий расход  теплоты:

= (G_t∙2995,25+8.762.643)кДж.

 

Уравнение теплового баланса:

G_t∙81280,95+4109856,3= G_t∙2995,25+8.762.643

Расход топлива: G_t=50,564 м³/ч.

Суточный  расход топлива при 2х сменной  работе печи:

                                =16·G_t=50,564·16= 809,02м³/сут.

Итоговый  тепловой баланс представлен в таблице 16.

Удельный  расход условного топлива:

=98,333кДж УТ/кг спека.

Коэффициент полезного действия печи спекания:

=0,835.

 

              

 

 

Таблица 16 - Тепловой баланс печи спекания бокситов производительностью 20 т/ч

№ п/п	Приход теплоты	кДж	%	№ п/п	Расход теплоты	кДж	%
1	Теплота от сгорания топлива	Gt∙38886 = =1.966.216	22,95	1	Физическая теплота спека	1.253.912	14,08
2	Физическая теплота  воздуха	164444	1,92	2	Физическая теплота пыли	96800	1,09
3	Физическая теплота  шихты	3.595.500	41,97	3	Теплота эндотермических реакций	5.897.470	66,14
4	Теплота экзотермических реакций	2.840.750	33,16	4	Теплота отходящих газов	1.202.622	13,49
	Итого	8.566.910	100	5	Потери теплоты в окр.ср.	463291,7	5,20
					Невязка	347186	-
					Итого	8.914.096	100