Двухбарабанная печь для производства керамзита

   Пояснительная записка к курсовому  проекту

   Тема: “Двухбарабанная  печь для производства керамзита” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Содержание

  Введение………………………………………………………………………………….……3

  1. Конструкция двухбарабанных вращающихся печей ……………………....................….4

  2. Принцип работы установки ………………………………………………………...….......5

  3. Теоретические основы процессов, происходящих в материале

  при тепловой обработки…………………..………………………………....…….…....…….6

  4.Технологический расчет установки………………………………………….…….………7

  4.1. Оценка сырья ………………………………………………………..................................8

  4.2. Расчет горения природного газа на 100 м3 газа ……………………………...…….......8

4.3. Расчет материального баланса производства керамзита ………………….…………...9

4.4. Расчет теплового баланса обжига керамзита …………………..………………………10

4.5. Расчет потерь в окружающую среду……………………………………………….…....12

4.6. Общий тепловой баланс вращающейся печи с холодильником……………………....14

5. Охрана труда и окружающей среды………………..………………………….…..……....17

  Список  литературы ……………………………………………….…………..………….…...19

Приложение…………………………………………………………………………….……..20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение

   Основным  оборудованием керамзитовых предприятий  является оборудование для обжига. В настоящее время наибольшее распространение получил метод обжига керамзитового гравия в одно- и двухбарабанных вращающихся печах; кроме того, осваивается промышленное производство керамзитового гравия и песка в печах кипящего слоя.

   Достоинством  вращающихся печей как аппаратов  для вспучивания глинистых пород  является то, что они позволяют  получать заполнитель, зерновой состав которого в основном соответствует требованиям к заполнителю при изготовлении легких бетонов. Поэтому после обжига, как правило керамзит лишь сортируют и в отдельных случаях корректируют зерновой состав заполнителя. Тем самым в большинстве случаев сохраняется форма зерна и остается не затронутой дроблением их спекшаяся шероховатая поверхностная корка, отличающегося более высокой прочностью, чем вспученная внутри масс.

   Другое  важное достоинство вращающихся  печей состоит в том, что зерна  материала в них вспучиваются в свободном объеме, не ограниченном стенками или не подвижной массы таких же зерен. Поэтому процесс может достигать самой высокой интенсивности, что позволяет получать весьма эффективные заполнители с объемным весом 200 – 500 кг/м3 при коэффициенте выхода 2 – 3, в то время как на спекательных решетках трудно получить заполнитель с объемным весом в куске менее 600 кг/м3.

   К недостатком вращающихся печей  можно отнести, помимо их низкой тепловой экономичности, трудность обжига в них глинистых пород, обладающих слабой, а иногда склонностью к вспучиванию. Такие породы склонны к слипанию и образованию крупных спекшихся конгломератов материала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Конструкция двухбарабанных вращающихся  печей

   Двухбарабанная  печь состоит из двух отдельных барабанов  с самостоятельными приводами: короткого большого диаметра, предназначенного для вспучивания, и более длинного с меньшим диаметром, предназначенным для предварительной тепловой обработки перед вспучиванием.

   Двухбарабанная  вращающиеся печь позволяет обжигать керамзит на оптимальном уровне по ступенчатой схеме в соответствии с требованием технологии вспучивания  глинистых материалов:  в ней более успешно, чем в однобарабанной можно регулировать два раздельных в технологическом и теплотехническом отношении процесса – тепловую обработку материала при относительно низких температурах и вспучивание при высоких температурах.

   В двухбарабанной печи зона основного  подогрева материала и сам процесс его вспучивания совпадают с зоной горения форсуночного топлива и длинной факела его горения, что позволяет: резко повысить эффективность короткого барабана как теплового аппарата, на пример, вести процесс при более высокой температуре горения топлива; максимально повысить эффективность теплопередачи за счет наиболее эффективного его вида – лучеиспускания – и понизить удельное значение конвекции и теплопроводности; повысить эффективность теплопередачи за счет более высокой разницы между температурой факела горения топлива и температурой материала; улучшить экономический потенциал и газовый режим печи за счет сокращения избытка воздуха для горения топлива с более высокой температурой факела. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Принцип работы установки

   Подлежащий  обжигу материал через питательную  трубку поступает внутрь барабана который  монтируется небольшим уклоном  и при его вращении перемещается вперед, располагаясь внутри барабана в виде сегмента и непрерывно при этом пересыпаясь, что обуславливает непрерывное обнажение поверхности слоя материала нагреваемыми печными газами. Обожженный материал, покидая печь, поступает в холодильник. Таким образом, в современной тепловой установки с вращающейся печью имеется, как правило, три основных теплообменных элемента: подогреватель, собственно печь и холодильник. Кроме того, современные печи оборудую еще внутренними теплообменниками – цепными или ячейковыми.

   Топливо и воздух для горения подаю  в горелку или форсунку. Сгорая, топливо образует факел, пирометрический максимум которого располагается на некотором расстоянии от горячего обреза печи. Горячие газы, перемещаясь внутри барабана, нагревают материал, сами при этом охлаждаясь. Покидая барабан, они проходят через загрузочную камеру (либо подогреватель) и поступают в газоочистительную систему, а из нее дымососом направляются в дымовую трубу и оттуда в атмосферу.

   Холодильник. Обожженные гранулы поступают из печи в слоевой колосниковый холодильник конструкции НИИ Керамзита через решетку, исключающую поступление в приемный бункер холодильника амоноличенных конгломератов (сваров), образующихся при работе печи в ненормальном режиме. Для предупреждения образования сваров в приемном бункере холодильника предусмотрена подача холодного воздуха через специальные патрубки. Обожженные гранулы движутся непрерывным слоем по решеткам, охлаждаясь до 50-60 С, и удаляются барабанным разгружателем. Под нижними решетками имеются специальные бункера для улавливания просыпа. Атмосферный воздух направляется в холодильник дутьевых вентилятором через патрубок, фильтруется через слой керамзита, движущегося по нижним и верхним решеткам, нагревается поступает частично в печь, частично в слоевой подогреватель.

   Вихревая  газовая горелка. Газ по патрубку поступает в газораспределительный коллектор из которого через отверстия, расположенные по периметру коллектора, вытекает в закрученный поперечный поток воздуха. Воздух через патрубку поступает в корпус и проходя завихритель, закручивается. Газораспределительный коллектор с завихрителем соединен с корпусом горелки при помощи болтов что позволяет производить ремонт и осмотр горелки, не снимая ее с установки, а так же при монтаже горелки по разному ориентировать подвод газа и воздуха. Смотровая труба рассчитана на установку мазутной форсунки механического или парового распыления, а так же форсунки воздушного распыления для сжигания легких топлив.

3. Теоретические основы процессов, происходящих в материале при тепловой обработки

   Характер  процессов, происходящих при обжиге керамзита позволяет условно  подразделить ее по длине на 4 зоны: зону сушки или испарения влаги, зону нагрева, совпадающую с зонами дегидратации, декарбонизации и окислительно – восстановительных реакций, зону вспучивания, зону охлаждения. В начале сырец поступает в зону сушки, где под воздействием тепла дымовых газов, имеющих температуру в этой зоне от 200 – 750 С, свободная и частично физически связанная вода испаряется. Свободная вода полностью удаляется лишь тогда, когда температура глинистого материала достигает 120 градусов. Физически связанная вода, адсорбированная на поверхности мельчайших глинистых частиц и заполняющая микрокапиляры, при медленном обжиге удаляется в температурном интервале 150–170С, а при быстром нагреве – при более высоких температурах. Высушенный материал с температурой около 200 градусов поступает в следующую зону – зону подогрева. В этой зоне происходит сложный комплекс важнейших в технологии керамзита окислительно – восстановительных реакций, дегидратация и декарбонизация материала. Весь процесс нагрева материала в этой зоне с 200 – 1100 -1500 С, когда он начинает вспучиваться, занимает всего лишь около 15 – 30 минут. Происходят реакции разложения компонентов глинистых материалов, последние остатки паро – и газообразных составляющих удалятся лишь около 1100 – 1200 градусов. При быстром обжиге за короткое время из глинистого материала удаляются огромные объемы паро – и газообразных продуктов, создающих вокруг частиц глинистого материала газовые оболочки, задерживающие доступ к ним кислорода их окружающей среды и окисление органических примесей. Когда заканчивается в основном интенсивный процесс обезвоживания и декарбонизации и кислород печной среды получит возможность доступа к гранулам материала происходит выгорание коксового остатка органических примесей. Происходит восстановление окислов железа высших степеней окисления в низшие – процесс, играющий первостепенную роль при вспучивании. Подъем температуры в этот период должен быть максимально быстрым.

         Из зоны нагрева  материал поступает в зону вспучивания, где за счет давления изнутри газообразных продуктов окислительно – восстановительных реакций, не завершенных в период нагрева, а также реакций разложения и взаимодействия отдельных компонентов породы размягчается и вспучивается.

4. Теплотехнический расчет установки

   Исходные  данные для теплотехнического расчета:

1. Способ производства: пластический.
2. Формовочная влажность сырца W=25
3. Состав топлива – природного газа

4. Химический  состав сырья в пересчете на сухую  массу, %

5. Температура, ^ОС – вспучивания сырья. t_всп=1180

                    – керамзита на выходе из печи. t=900

                    – газов, отходящих  из печи. t_ог=460

                    – материала на выходе из зоны подогрева. t_м=600

                    – материала на выходе из холодильника. t_х=80

                    – воздуха. t_в=15

                    – природного газа. t_г=10

                    – гранул при загрузке в печь. t

6. Производительность двухбарабанной печи: П_г=250 тыс.м³/год; П₂=12842,46575 кг/ч.
7. Насыпная плотность керамзита: ρ_н=450 кг/м³.
8. Безвозвратный пылеунос и технологические потери сырья: i=3%
9. Уклон печи: 3,5 %

1. Оценка  сырья

   Содержание  основных химических составляющих в  глинистом сырье для производства керамзита по ГОСТ 25264 – 82 должно находиться в следующих пределах: SiO – не более 70%; Al2O3 + TiO2 – 10-25%; Fe2O3 + FeO – 2,5-12%; CaO – не более 6%; Mg – не более 4%; сумма соединений серы в пересчете на SO3 – не более 1,5%; Na2O + K2O – 1,5-6%; органическое вещество не более 6%. Пластичное сырье должно иметь число пластичности не менее 10. Температурный интервал вспучивания глинистого сырья без добавок или с их применением должен быть не менее 2.

   Данное  сырье соответствует требованиям  ГОСТ 25264 – 82.

2. Расчет горения природного газа на 100 м³ газа

   Расчет  горения природного газа на 100 м³ газа приведен в таблица 1 (приложение).

   Из  таблицы 1.

1. Теоретический расход воздуха: V_о=10,64 нм³/нм³газа
2. Выход продуктов сгорания при α=1:

   V^г_co2=1,133  нм³/нм³газа,

   V^г_н2о=2,302  нм³/нм³газа,

   V^г_N2=8,27 нм³/нм³газа

   V_тo=11,71 нм³/нм³газа.

3. Фактическая температура горения при температуре вспучивания.

   t^ф_ог= t_всп+(50÷100); при t_всп=1180 ^ОС, t^ф_ог=1250 ^ОС.

   Теоретическая температура горения при избытке  воздуха t^т_г= t^ф_г/η, где η – пирометрический коэффициент печи, учитывающий теплообмен между газом и материалом и потери теплоты в зоне горения через корпус печи; для вращающейся печи η=0,9, тогда t^т_г=1250/0,9=1390 ^ОС.

   Теоретическая температура горения находится  по формуле

   t^т_г= (Q^н_р+ Q_в)/(V_г+C_г); (1)

   где Q^н_р- теплотворность топлива, кДж/нм³, кДж/кг. Q_в – теплосодержание воздуха, входящего в зону горения из холодильника при охлаждении керамзита от 900 ^ОС до 80 ^ОС. Воздух при этом нагревается до 300÷350 ^ОС.

   Q_в= V_о*С_в*t_в, кДж/нм³; (2)

   Q_в=10,64*1,318*300=4207,06 кДж/нм³

   C^’_r – средняя теплоемкость продуктов сгорания:

   C^’_r=(C^’_со2*r_co2+ C^’_н2o*r_н2о+ C^’_N2*r_N2)/ V_г.о; (3)

   C^’_r=1,373 кДж/м³газа

   (36840+4207,04)/((11,71+10,64(α-1))*1,373)=1390, откуда α=1,92

   Принимаем α в зоне вспучивания α₁=1,92 с учетом подсоса на стыках барабанов, в барабане термоподготовки α₂=2,07; в холодильнике α₃=2,22.

4. Действительный расход воздуха:

   В барабане вспучивания (α₁=1,92)

   V^’_в= V_о* α*х^т, нм³/кг; (4)

   V^’_в=10,64*1,92*х^т=20,43х^т нм³/кг,

   В барабане термоподготовки (α₂=2,07)

   V^’’_в=10,64*2,07*х^т=22,02х^т нм³/кг,

   В холодильнике (α₃=2,22)

   V^’’’_в=10,64*2,22*х^т=23,62х^т нм³/кг

5. Общий выход топочных газов при α₂=2,07 (барабан термоподготовки)

   V_т= V_тo+ V_в; нм³/кг; (5)

   V_т=11,71х^т+10,64(2,07-1)х^т=23,09х^т нм³/кг

   При α₁=1,92

   V_т=11,71х^т+10,64(1,92-1)х^т=21,5х^т нм³/кг

3. Расчет материального баланса производства керамзита
1. Удельный расход сырца

   G_с= ρ_н/([(100-W)/100]*[(100-ППП)/100]*[(100-i)/100]); (6)

   G_с=600/([(100-25)/100]*[(100-8)/100]*[(100-3)/100])=896,46 т/м³

   Или G/ρ_н кг/кг керамзита; 896,46/600=1,494 кг/кг кер-та

2. Удельный расход сухого сырца:

   G^с_с= G_с(100-W)/100, кг/кг; (7)

   G^с_с=1,494*0,75=1,12 кг/кг.

3. Выход физической влаги из сырья.

   G^ф_н2о= G_с- G^с_с кг/кг; (8)

   G^ф_н2о=1,494-1.12=0,374 кг/кг

   или V^ф_н2о= G^ф_н2о/ ρ_н2о; (9)

   V^ф_н2о=0,374/0,806=0,465 нм³/кг, где ρ_н2о – плотность водяных паров, м³/кг.

4. Выход химически связанной влаги (гидратной).

   G^х_н2о=0,0035* G^с_с*Al₂O₃; (10)

   G^х_н2о=0,0035* 1,12*22=0,0862, кг/кг

   V^х_н2о= G^х_н2о / ρ_н2о, нм³/кг; (11)

   V^х_н2о= 0,0862/ 0,805=0,107 нм³/кг.

5. Общее количество испаряемой влаги.

   G_н2о= G^ф_н2о+ G^х_н2о; (12)

   G_н2о= 0,374+ 0,0862=0,460 кг/кг

   V_н2о= 0,465+0,107=0,572 нм³/кг.

6. Выход CO₂ из карбоната CaCO₃ и MgCO₃, содержащихся в глине:

   Количество  содержащегося в глине CaCO₃:

   G^c_CaCO3= CaO^c*100/56; (13)

   G^c_CaCO3=2*100/56=3,6 %

   или G^c_CaCO3= G^с_с*CaO^c/56; (14)

     G^c_CaCO3= 1,12*2/56=0,04 кг/кг.

   Количество  содержащегося в глине MgCO₃:

   G^c_MgCO3= MgO^c*84,32/40,32; (15)

   G^c_MgCO3=2*84,32/40,32=4,18 %

   или G^c_MgCO3= G^с_с* MgO^c*84,32/(100*40,32); (16)

   G^c_MgCO3=1,12*2*84,32/(100*40,32)=0,047 кг/кг.

   Количество  СО₂, высвобождающегося из карбонатов глины:

   СО^с₂= G^c_CaCO3- G^c_CaO+ G^c_MgCO3- G^c_MgO; (17)

   СО^с₂=3,6 -2+4,18^-2=3,78 %.

   или СО₂= G^с_с*СО^с₂/100; СО₂; (18)

   СО₂=1,12*3,78/100=0,0423 кг/кг керамзита

   или V^с_СО2= СО^с₂/ ρ_СО2; (19)

   V^с_СО2=0,0423/1,977=0,0214 м³/кг керамзита

4. Расчет теплового баланса обжига керамзита

   Определение теплоты, потребной для обжига 1 кг керамзита,(тепловой эффект керамзитооборудования), кДж/кг керамзита. Термин «тепловой эффект керамзитооборудования» означает расход тепла на образование 1 кг керамзита из абсолютно сухого сырья, поступающего в печь при 0^оС, при отсутствии материальных и тепловых потерь, т.е. в идеальной печи.

1. Расход теплоты на нагрев сухой части сырья от 15 до 450 ^оС

   (предварительный  подогрев сырца в барабане  тепловой подготовки).

   Q^с₁= G^с_с*С(t-t₁); (20)

   Q^с₁=1,121*1,006(450-15)=490,4кДж/кг, где С – массовая теплоемкость сырца, кДж/кгС

2. Расход теплоты на дегидратацию глинистых минералов сырья.

   Q₂=6704*G^x_н2о; (21)

   Q₂=6704*0,0862=578,4 кДж/кг

   Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O=Al₂O₃*2SiO₂ + 2H₂O – 6704 кДж/кг влаги

3. Расход теплоты на нагрев дегидратированного сырья от 450 до 900 ^оС

   Q₃=C(G^с_с- G_н2о)(t₂-t₁); (22)

   Q₃=1,089(1,121-0,0862)(900-450)=506,9 кДж/кг

   С – теплоемкость сырья при температуре 450÷900 ^оС, равна 1,089 кДж/кг* ^оС

4. Расход теплоты на декарбонизацию CaCO₃ и MgCO₃, содержащихся в глине.

   CaCO₃=CaO+CO₂ – 1655 кДж/1кг CaCO₃

   MgCO₃=MgO+CO₂ – 817 кДж/1кг MgCO₃

   Q₄=1655*CaCO₃+817MgCO₃; (23)

   Q₄=1655*0,04+0,047=104 кДж/кг

5. Расход теплоты на нагрев декарбонизированного сырья от 900 до 1180 ^оС

   Q₅=( G^с_с- G^x_н2о- G_со2)*С*(t₂-t₁); (24)

   Q₅=(1,121-0,0862-0,0423)*1,173*(1180-900)=325,8 кДж/кг

6. Расход теплоты на образование жидкой фазы при 900-1180 ^оС.

   Количество  тепла на плавание силикатной массы (стекла) в теплотехнических расчетах обычно принимается равным 90%.

   Поэтому удельный расход тепла на образование  стекловидной фазы (т.е. плавление силикатной массы), отнесенной к 1 кг обожженного  керамзита может быть принят равным

   Q₆=0,9Q₅; (25)

   Q₆=0,9*325,6=293,2 кДж/кг

   Общий расход теплоты для обжига 1 кг керамзита.

   Q_р=; (26)

   Q_р=490,4+578,4+506,9+104+325,8+293,2=2299 кДж/кг

   Приход  теплоты, кДж/кг керамзита

1. Приход теплоты в результате образования соединений железа

   (CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃)

   Q^’₁= 0,0304*Fe₂O₃*108,9; (27)

   Fe₂O₃ – процент содержания оксида железа в сухой глине.

   Тепловой  эффект реакции:4CaO+Al₂O₃=4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃+108,9 кДж/кг

   Q^’₁=0,0304*8*108,9=26,5 кДж/кг

2. Приход теплоты в результате образования алюмосиликатов

   Q^’₂=0,0217*Al₂O₃*301,7; (28)

   Q^’₂=0,0217*22*301,4=144 кДж/кг

   Al₂O₃ – процент глинозема в сухой глине

   Al₂O₃+2SiO₂= Al₂O₃*2SiO₂+301,7 кДж/кг