Теплотехнический расчет вращающейся печи
Федеральное агентство по образованию РФ
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Институт экологии
Кафедра электротехники и теплотехники (ЭиТ)
Теплотехнический расчет вращающейся печи
(пояснительная записка к курсовому проекту)
Задание на проектирование
Необходимо выполнить технологический и теплотехнический расчеты печи, построить графики теплового режима установки и подобрать необходимое технологическое оборудование.
Исходные данные для расчета печи:
вид печной установки: вращающаяся печь;
выпускаемая продукция и способ производства: цемент, сухой способ, с циклонными теплообменниками;
производительность печи, тыс. т/год: 450;
газопровод: Промысловка-Астрахань
Содержание
Введение
1. Описание тепловой установки.
2. Расчетная часть.
2.1. Технологический расчет печей.
2.2. Расчет температуры и продуктов горения топлива.
2.3. Материальный баланс.
2.4 Тепловой баланс и КПД печи.
2.5.Расчет температур на границах технологических зон и построение кривой обжига.
2.6. Аэродинамический расчет печи, подбор вспомогательных устройств и оборудования.
2.6.1. Выбор тягодутьевого оборудования и обеспыливающих устройств.
2.6.2. Выбор газогорелочного устройства.
3. Библиографический список.
4. Приложение.
Введение
Под теплотехнологическим оборудованием понимают устройства, в которых развиваются и проходят тепловые процессы, обусловленные технологией производства. Главной функцией такого оборудования является использование поданной тепловой энергии для технологической обработки материала (нагрева, сушки, обжига, плавления и т.п.). При этом обязательно происходят процессы теплообмена между энергоносителем и материалом либо непосредственно (контактный теплообмен), либо через промежуточную стенку. Поэтому, чтобы теплотехнологическое оборудование выполняло свою функцию, необходимо чтобы температура теплоносителя была эффективной, то есть такой, чтобы обеспечивать действительно существующий в реальных условиях теплообмен.
Все теплотехническое оборудование по потенциалу теплоносителя можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. Наибольший интерес вызывают высокотемпературные установки (t от 1000 °С до 2500 °С), называемые печами, так как они являются главными энергопотребителями. Назначение промышленных печей — тепловая обработка материалов и изделий с целью придания им определенных свойств, необходимых для конечного продукта или для дальнейшей обработки. На современных предприятиях их используют в различных отраслях производства строительных материалов и др.
1. Описание тепловой установки
Во вращающихся печах получают преимущественно цементный клинкер путем обжига мокрых сырьевых смесей (шлама) и сухих. К преимуществам мокрого способа обжига относится простота приготовления сырьевой смеси, легкость достижения её состава, малые энергозатраты и гигиенические условия труда. Но главным недостатком этого способа является большой расход топлива. При сухом способе достигается экономия топлива, но вместе с этим усложняется приготовление сырьевой смеси и, следовательно, увеличиваются энергозатраты.
Во вращающихся печах можно обжигать различные материалы: известь, шамот, магнезит, доломит и др. Печи отличаются также разнообразием конфигураций и объемом рабочего пространства, различными конструкциями внутренних теплообменников и запечных теплоутилизаторов. Поэтому вращающиеся печи классифицируются следующим образом.
Первый вид. Вращающиеся печи, работающие по мокрому способу обжига:
а) мощные печи с отношением L/D≥30 (где L — длина печи, м, D — диаметр печи, м) с внутренними теплообменниками без запечных теплоутилизаторов;
б) печи с отношением L/D<30, без внутренних теплообменных устройств с запечными теплоутилизаторами;
в) печи с отношением L/D<30 без запечных утилизаторов тепла с внутренними концентраторами шлама.
Второй вид. Вращающиеся печи, работающие по сухому способу обжига, оборудованные:
а) конвейерными кальцинаторами;
б) циклонными теплоутилизаторами;
в) пневмозмеевиками или винтовыми теплоутилизаторами;
г) вакуум-фильтрами шлама.
Основной частью вращающихся печей является стальной слегка наклонный барабан с приводом (прил.1), облицованный изнутри огнеупором и опирающийся через бандажи на роликоопоры. Вращающийся барабан состоит из отдельных колец (обечаек), изготовленных из стальных листов толщиной от 32 до 120 мм. Обечайки сварены между собой встык кольцевыми швами, каждая обечайка имеет один или два сварочных шва. Наиболее нагружены обечайки, на которые надеты опорные бандажи, — их толщина примерно в два раза больше других. Примерно в середине барабана на него надето венцовое колесо, соединенное через редуктор с электродвигателем. Этот механизм представляет собой привод печи. Опорные устройства вращающихся печей состоят из бандажей и роликов, установленных на фундамент.
Холодный конец печи соединяется через уплотняющее устройство с загрузочной камерой, на которой крепится питательная труба. Загрузочная камера служит также для подогрева материала. Горячий конец печи соединяется с выгрузочной камерой, которая называется откатной головкой. Ее основание имеет колеса (скаты) и по рельсам головку можно откатывать для производства ремонта футеровки корпуса. В головке располагается горелка для сгорания топлива. В днище головки имеется выгрузочное устройство. Места соединения корпуса с пыльной камерой и горячей головкой уплотняются специальными устройствами при помощи лент и тросов. Их назначение – сократить подсосы холодного воздуха до минимума. Загрузочная камера через газоочистительную камеру соединяется с дымососом, направляющим отработанные дымовые газы в дымовую трубу.
Благодаря наклону и вращению печи, смесь перемещается вперед, располагаясь внутри в виде сегмента и непрерывно при этом, пересыпаясь, что обуславливает хорошее перемешивание слоя материала, нагреваемого печными газами. В результате этого движения происходят тепловые и физико–химические преобразования материала, приводящие к образованию цементного клинкера.
К особенностям вращающихся печей относится трудность управления технологическим процессом, вследствие воздействия на него посторонних факторов, искажающих ход обжига. Причем искажения, возникающие в процессе обжига, равны, а часто и превосходят искажения, вызванные органами управления печным агрегатом. Кроме этого, зачастую они становятся неконтролируемыми.
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Технологический расчет печи
Количество часов работы печи в году :
где – коэффициент использования оборудования.
Часовая производительность завода
Задаемся удельным съемом продукта с одного м3 печи для обжига цемента по сухому способу (с циклонами) gv=40 кг/ч.
Рассчитываем полезный объем печи
Определяем суточную производительность завода
Принимаем вращающуюся печь II (влажность гранул 3%):
Производительность: 650-720 т/сут
Размеры печи: диаметр – 3,8 м
длина корпуса – 53 м
Уклон – 4 %
Рабочий объем –480 м3
Температура уходящих газов – 200-300 оС
Удельная производительность – 36-39 кг клинкера/м3·ч
Тип холодильника – колосниковый
Число печей, подлежащих установке на заводе:
Таблица 1
Распределение тепловых зон по длине барабана вращающейся печи
Тепловая зона |
Длинные |
печи |
% |
м | |
Испарения |
- |
- |
Досушки |
19 |
10,07 |
Дегидратации |
18 |
9,54 |
Декарбонизации и подогрева |
40 |
21,2 |
Экзотермических реакций |
10 |
5,3 |
Спекания |
8 |
4,24 |
Охлаждения |
5 |
2,65 |
Всего |
100 |
53 |
2.2. Расчет температуры и продуктов горения топлива
Целью данного расчета является проверка возможности обеспечения требуемой температуры обжига материала. Для выполнения расчета выбираем по табл. П23 [1] вид топлива, его месторождение, выписываем его состав и свойства:
газопровод: Коробки-Волгоград (I нитка)
теплотворная способность топлива: кДж/м3
теоретический объем воздуха: м3/м3
теплоемкость воздуха: кДж/(м3·оС)
теоретический объем дымовых газов: м3/м3
м3/м3
м3/м3
м3/м3
средняя теплоемкость дымовых газов определяемая из табл. П14 [1] в зависимости от температуры обжига материала tОБЖ=1400 оС:
кДж/(м3·оС), кДж/(м3·оС), кДж/(м3·оС),
кДж/(м3·оС), кДж/(м3·оС)
Получение теплоносителя заданной температуры осуществляется путем сжигания топлива и смешения продуктов сгорания с газами, дополнительно вводимыми в зону горения. Таким газом может быть воздух.
Для обжига кусковых и сыпучих материалов коэффициент избытка воздуха в зоне горения топлива рассчитывают
где =0,75 - пирометрический коэффициент; tв=700 оС – температура поданного на горение воздуха
м3/кг
Результаты расчетов действительных объемов продуктов сгорания сводим в табл. 2. Расчеты ведем на 1 м3 (при нормальных условиях) природного газа.
Таблица 2
Объем продуктов сгорания
Величина и её размерность |
||
Действительный объем воздуха, идущего на горение, м3/кг |
||
Действительный объем водяных паров, м3/кг |
||
Действительный объем дымовых газов, м3/кг |
||
Объемная доля трехатомных газов |
||
Объемная доля водяных паров |
||
Суммарная объемная доля |
Начальная энтальпия продуктов горения
Для определения действительной температуры горения топлива tд по диаграмме (прил., рис. 1 [1]) находим энтальпию продуктов сгорания за вычетом теплоты, теряющейся в окружающей среде:
при этом tд=1750, т.к. действительная температура горения выше, чем необходимая температура обжига, то выбранное топливо пересматривать не надо.
2.3. Материальный баланс
Материальный баланс представляет собой соотношение между поступающим материалом в печь и выходящим из печи. Он составляется перед тепловым балансом для определения количества сырья необходимого для получения 1 кг продукта, поэтому расчет ведем на 1 кг готовой продукции. Сначала рассчитываем предварительный материальный баланс, который содержит некоторые неизвестные величины, а затем, после нахождения этих величин из уравнения теплового баланса, получаем окончательные значения статей материального баланса.
Расходные статьи:
- Расход топлива
где xT=0,122 м3/кг – принимаем из теплового баланса.
- Теоретический расход сухого сырья
где П=35% – потери при прокаливании; % - коэффициент уноса материала.
- Расход шлама
где ω=3 % – влажность шлама.
- Расход воздуха
Приходные статьи:
- Выход клинкера 1 кг
- Выход углекислоты
- Выход влаги сырья
- Выход гидратной воды сырья
где количество Al2O3=3,2% - принимаем по составу шлама.
- Количество уходящих газов из топки
где ρГ=1,3 кг/м3 – средняя плотность дымовых газов.
Материальный баланс обжига 1 кг цементного клинкера сводим в табл. 3.
Таблица 3
Сводный материальный баланс обжига 1 кг цементного клинкера
Приходные статьи |
Количество, кг |
Расходные статьи |
Количество, кг |
Выход клинкера |
1 |
Расход топлива |
0,095 |
Выход углекислоты |
0,557 |
Расход шлама |
1,64 |
Выход влаги сырья |
0,05 |
Расход воздуха |
2,29 |
Выход гидратной воды сырья |
0,018 |
||
Уходящие газы |
3,24 | ||
Итого: |
3,865 |
Итого: |
4,025 |
Невязка: 3,9 %
Разницу между расходом и приходом материала принимаем как пылеунос.
2.4. Тепловой баланс и КПД печи
Расход топлива в печах должен обеспечивать получение теплоты для обжига строительных изделий и материалов, а также восполнять тепловые потери, сопровождающие работу печи. Соотношение, связывающее приход с расходом теплоты в печи, называют тепловым балансом. При обжиге сыпучих материалов его составляют на 1 кг готового продукта. Во вращающихся печах четкого разделения по зонам нет, поэтому тепловой баланс составляется полностью на всю печь.
Экономичность работы печей характеризует коэффициент полезного действия установки. Он представляет собой отношение полезно затраченной теплоты к поступающему теплу от горения топлива. Полезно используемая теплота идет на нагрев сырья до температуры обжига и на сам процесс обжига.
Приход тепла:
- От сгорания топлива
кДж/кг
где xT= 0,122м3/кг – удельный расход топлива.
- Вносимого шламом
где сМ=0,78 кДж/(м3·оС) – теплоемкость материала, принимаем по таблице П8 [1] при tМ=20 оС – температура материала, поступающего в печь.
- С присосами воздуха
где tнв=30 оС – начальная температура воздуха; Vв – количество воздуха, необходимо для сгорания 1 кг топлива, м3, находят из расчета горения; сВ=1,31 кДж/(м3·оС) – теплоемкость воздуха, находят по табл. П14 [1] в зависимости от tВ=250 оС – температура воздуха, идущего на горение топлива, принимают равной температуре уходящих газов tУ.Г.
- От экзотермических реакций цементного клинкера
Расход тепла:
- На диссоциацию CaCO3:
где CaCO3=0,547 кг – доля вещества, содержащаяся в материале;
кДж/кг – количество теплоты, выделившейся при диссоциации CaCO3, принимаем по табл. П2 [1]
- На испарение влаги
где rвл=2500 кДж/кг – скрытая теплота парообразования влаги.
- С уходящими газами
где м3/кг – при tУ.Г=250 оС – температура уходящих газов, определяют по характеристике печи; м3 – объем СО2, выделившегося при диссоциации CaCO3; кДж/(м3·оС) – теплоемкость СО2, принимают по табл. П14 [1]
- На нагрев материала до температуры обжига
- С пылеуносом
где n=0,015 кг – доля уноса пыли от общей массы; сП=1,06 кДж/(м3·оС) – теплоемкость уносимой пыли.
- В окружающую среду
где м2 – площадь теплоотдающей поверхности корпуса печи; Вт/(м2·оС) при tНП=40 оС – суммарный коэффициент теплоотдачи для вращающихся печей; tОВ=15 оС – температура окружающей среды.
- На образование жидкой фазы; по опытным данным, для цементного клинкера
Составляем уравнение теплового баланса на 1 кг получаемой продукции и на основе его определяем удельный расход топлива xТ, м3/кг.
35040· xТ+649,04xТ-4175·xТ+163,1 =
=1739,7+125+1765,3+10,66+209+
30112,4· xТ=3691,62
xТ=0,122 м3/кг
Значение расхода топлива подставляем
в статьи материального и теплового балансов.
Приходы и расходы тепла сводим в общую
таблицу теплового баланса (табл. 4)
Тепловой баланс печи на 1 кг продукта
Приходные статьи |
Количество тепла |
Расходные статьи |
Количество тепла | ||
кДж |
% |
кДж |
% | ||
От сгорания топлива |
4274,88 |
На диссоциацию CaCO3 |
1739,7 |
||
Вносимого шламом |
33,2 |
На испарение влаги |
125 |
||
С присосами воздуха |
71,4 |
С уходящими газами |
672,4 |
||
От экзотермических реакций цементного клинкера |
449 |
На нагрев материала до температуры обжига |
1865,3 |
||
С пылеуносом |
4,2 |
||||
В окружающую среду |
10,66 |
||||
На образование жидкой фазы |
209 |
||||
С химическим и механическим недожогом |
171 |
||||
На разложение MgCO3 |
11,8 |
||||
Итого: |
4828,48 |
100 |
Итого: |
4818,8 |
100 |
Невязка: , что не превышает 0,5%, значит тепловой баланс печи составлен верно.
Удельный расход условного топлива находят по формуле:
Коэффициент полезного действия печи для обжига цементного клинкера будет:
2.5. Расчет температур на границах технологических зон и построение кривой обжига
Для построения кривой температур обжига печь разбиваем на участки и составляем диаграмму Гросмана-Шаргуфа (зависимость энтальпии уходящих газов из тепловых зон IГЗ, кДж/ч, от длины печи L, м, [см прил. Рис 1]). Далее строим график зависимости энтальпии газов покидающих тепловую зону IГЗ, кДж/ч, от температур газов в тепловой зоне , оС, [см прил. Рис 2], которые принимаем произвольно ( =800 и =1500), используя эти значения температур определяем энтальпию газов покидающих тепловую зону IГЗ, кДж/ч, по формуле:
где – температура газов в тепловой зоне, принятая величина, оС; , кДж/(м3·оС) – средняя теплоемкость газов.
Тепловая зона вращающейся печи |
Энтальпия газов, кДж/кг | |
Обжиг клинкера | ||
Формула |
Расчет | |
Охлаждения и спекания |
35040∙0,122-200- -10,66(2,65/53)=4074,377 | |
Экзотермических реакций |
4074,377-833-10,66(5,3/53)= =3240,311 | |
Декарбонизации и подогрева |
3240,311-1705- -10,66 (21,2/53)=1531,05 | |
Дегидратации |
1531,05-515-10,66(9,54/53)= =1546,65 | |
Досушки |
1014,13-125-129- -10,66 (10,07/53)=758,22 | |
При оС
При оС
Находим искомую температуру уходящих газов для построения кривой обжига [см прил. Рис 3], значения температур сводим в таблицу 5.
Таблица 5
Температуры газов
Технологическая зона |
Температура материала, оС |
Температура газов, оС | |||||
Начало зоны |
Середина зоны |
Конец зоны |
Начало зоны |
Середина зоны |
Конец зоны | ||
Досушки |
100 |
175 |
250 |
294 |
350 |
400 | |
Дегидратации |
250 |
375 |
500 |
400 |
510 |
589 | |
Декарбонизации и подогрева |
500 |
725 |
950 |
589 |
890 |
1182 | |
Экзотермических реакций |
950 |
1150 |
1350 |
1182 |
1310 |
1440 | |
Спекания |
1350 |
1400 |
1450 |
1440 |
1450 |
1460 | |
Охлаждения |
1450 |
1400 |
1350 |
1460 |
|||
2.6. Аэродинамический расчет
печи, подбор вспомогательных
Аэродинамический расчет выполняется для создания правильного режима движения газовых потоков, следовательно, для соблюдения заданного температурного режима печи. А также для подбора транспортирующих и обеспыливающих устройств дымовых газов. К оборудованию печей относятся горелочные устройства, которые обеспечивают необходимый расход топлива для обжига строительных изделий и материалов.
2.6.1. Выбор тягодутьевого оборудования и обеспыливающих устройств
Для подбора дымососа рассчитывают объемный расход газов на выходе из печи
Так как температура газов на выходе из печи снижается за счет подсосов холодного воздуха и потерь в окружающую среду примерно на 10%, то объемный расход газов перед дымососом составит
где =1,8 и =1,1 – соответственно коэффициент избытка воздуха в дымоходе и печи.
Необходимая подача дымососов с запасом 20%
Аэродинамическое сопротивление печи
где – коэффициент трения, зависящий от отношения длины печи и её диаметра; – коэффициент сопротивления цепной завесы
Скорость газов в холодной части печи
где φ=0,1 - коэффициент заполнения печи.
Плотность газов при температуре уходящих газов
Для расчета общего гидравлического сопротивления печной установки необходимо учесть гидравлическое сопротивление пыльной камеры 100 Па; газоходов 80 Па к дымососу; 90 Па к трубе; электрофильтров 225 Па.
Следовательно,
где – сумма потерь давлений в перечисленных устройствах.
С учетом запаса давления (примерно 20%) общее гидравлическое давление создаваемое дымососом, должно быть
В зависимости от объемного расхода VУГД и давления РПУ подбирают дымососы (табл. П15 [1]) и выписывают их характеристики.
Марка дымососа: ДН-24×2-0,62
производительность: 375000 м3/ч;
напор: 3,93 кПа при t=100 оС;
КПД: 84%;
масса без электродвигателя: 18300 кг ;
марка электродвигателя, мощность:ДА302-16-54-8У1 (630 кВт).
Очищенные уходящие газы от вращающейся печи удаляются дымососами через дымовую трубу. Диаметр устья дымовой трубы определяют
где м/с – скорость дымовых газов на выходе из трубы.
Расчетный диаметр =2,6 м и высоту трубы Н=120 м выбираем по табл. П19[1] в соответствии с требованиями СНиП. Диаметр основания трубы рассчитываем
где i=0,02 – средний уклон внутренних стен трубы.
Для очистки избыточного воздуха от пыли используют циклонные батареи. Принимаем скорость движения воздуха в циклоне vц=5 м/с и рассчитываем площадь сечения циклонов
