Печи и сушила

Содержание

Введение            6

1.Аналитический обзор          7

1.1.Вращающаяся печь            7

1.2. Рекуператорный холодильник         7

1.3 обжиг извести во вращающихся  печах        7

2. Задание на курсовой  проект          9

3.Расчетная часть для газообразного топлива       10

3.1. Расчет процесса горения газообразного топлива      10

3.1.1 Расчет рабочего состава топлива        10

3.1.2 Расчет теплотворной способности топлива       11

3.1.3.  Расчет количества воздуха для горения топлива      11

3.1.4. Расчет количества и состава продуктов горения      12

3.1.5. определение плотности продуктов горения       13

3.1.6. Составление материального баланса процесса горения     13

3.1.7. Определение минимально необходимой температуры подогрева воздуха.  14

3.2. Расчет затрат сырья и выхода продуктов горения при использовании газообразного топлива            14

3.2.1. Теоретические затраты сухого сырья без учета пылеуноса     15

3.2.2. Затраты сырья с учетом пылеуноса        15

3.2.3. Выход безвозвратно уносимой пыли        15

3.2.4. Выход СО₂ из сырья.          15

.2.5.Затраты влажного сырья           15

3.2.6. Выход физической влаги.         16

3.2.7. Выход СО₂ в теплообменник         16

3.3.Определение размеров печи и потерь теплоты в окружающее пространство  16

3.3.1 Площадь наружной боковой поверхности печи по корпусу    17

3.3.2 Диаметр печи по корпусу         17

3.3.3 Толщина футеровки печей         17

3.3.4 Длина печи           17

3.3.5 Размеры зон печи          17

3.3.6 Определение средних температур внутренней поверхности футеровки и площадей поверхности теплопередачи по зонам печи.       18

3.3.7. Совместный тепловой баланс вращающейся печи и теплообменника.   20

3.4 Тепловой баланс теплообменника        22

3.5. Расчет барабанного холодильника.        24

3.5.1. Тепловой баланс холодильника.        24

3.5.2. Определение размеров холодильника.       25

Выводы                                               40

Список литературы           41

 

Введение.

 

В силикатной промышленности, охватывающее цементное, керамическое, стекольное и другие виды производств, основными технологическими процессами являются обжиг, сушка или плавление шихтовых материалов. Промышленные печи относятся к очень важному производственному оборудованию, отличающемуся сложностью тепловых, аэродинамических и химических процессов, происходящих в них.

В современных условиях значительно возросла мощность заводов силикатной промышленности, а вместе с этим мощность, размеры и производительность печей, оснащенных средствами автоматизации. Значительно усовершенствовались конструкции печей и сушил за счет применения новых теплообменных, топливосжигающих и других устройств и печных элементов. Более сложной стала и эксплуатация таких печей, требующих точного регулирования тепловых процессов, высококвалифицированного обслуживания.

В печах и сушилах силикатной промышленности осуществляются весьма сложные технологические процессы , связанные с сушкой и обжигом материалов и изделий, а также с расплавлением шихтовых материалов, например для получения стекломассы.

Промышленная печь как тепловой аппарат отличается тем, что в  ней получают тепловую энергию за счет сжигания топлива (или за счет электрической энергии электропечей) и передают ее материалам или изделиям, подвергаемым тепловой обработке. Основными теплотехническими процессами являются процессы сжигания топлива и теплопередачи, происходящие часто одновременно в рабочем пространстве печи. При этом большую роль играет создание необходимых условий для движения газов (аэродинамика).

Основным принципом проектирования современных печей служит непрерывность производственных процессов тепловой обработки материалов или изделий и высокая производительность.

При проектировании печей необходимо учитывать, что к ним предъявляются  определенные теплотехнические и технологические требования:

- достаточно высокая тепловая  мощность, обеспечивающая данную  производительность;

- в рабочем пространстве печи  должны быть достигнуты необходимые  температуры, соответствующие технологическому режиму производства;

- наиболее эффективное сжигание подаваемого в печь топлива, высокий коэффициент использования топлива, минимальный удельный расход тепла на обжиг или другой тепловой процесс;

- высокая удельная производительность, высокое качество выпускаемой  продукции при заданной производительности;

- наибольшая экономичность в  эксплуатации, легкость и простота  в обслуживании;

- наибольшая продолжительность  работы без ремонтов, т.е. высокая  стойкость огнеупорной кладки  при воздействии высоких температур;

- печь должна быть автоматизированным тепловым агрегатом.

При проектировании всегда стремятся  к тому, чтобы печь наиболее полно  удовлетворяла этим требованиям. Однако существующие типы печей почти всегда имеют какие-либо конструктивные и  эксплуатационные недостатки. Поэтому непрерывно происходит совершенствование существующих типов печей и разработка принципиально новых конструкций на базе научных исследований и практики работы действующих печных установок. [1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Аналитический обзор.

 

1.1. Вращающаяся печь

 

Вращающаяся печь представляет собой трубу, наклоненную на 3-4% по отношению к горизонтали и вращающуюся со скоростью 1-4 об/мин; материал поступает в печь с верхнего конца и затем скользит, вращается и стекает навстречу горячим газам, идущим от пламени с нижнего, или «фронтального» конца. От 15 до 35 % воздуха, необходимого для горения топлива, подается через форсунку. Остальной воздух поступает из сообщающегося с печью холодильника за счет разряжения, создаваемого дымовой трубой или дымососом. В холодильнике воздух подогревается охлаждающимся материалом. Т.о., физико-химические процессы происходят во вращающейся печи под влиянием тепловой энергии, которая выделяется в результате горения топлива и передается обжигаемому материалу при перемещении его навстречу продуктам горения. Отходящие из печи газы проходят через пылеосадительное устройство и затем отводятся в атмосферу. Уловленная пыль подается в специальный сборник и возвращается в печь.

Вращающаяся печь представляет собой  полый стальной барабан, сваренный  из отдельных обечаек. Основными конструктивными характеристиками печи являются ее диаметр и длина. Печи могут иметь строго цилиндрический профиль или сложный с расширенными зонами.

Корпус вращающейся печи изготавливают  из стальных листов толщиной 22-24 мм, а  в зоне спекания – толщиной 40-46 мм. Для установки печи на опорах на ее корпусе закреплены стальные кольца – бандажи, каждый из которых опирается на два ролика. Печь приводится во вращение от двух зубчатых шестерен, редуктора и электродвигателя.

Горячий конец печи закрыт откатной головкой, через которую проходят форсунки для питания печи топливно-воздушной смесью. Холодный конец печи входит в пылевую камеру. Для правильного ведения процесса обжига в печи необходимо как в разгрузочном, так и в загрузочном ее концах устранять подсос холодного воздуха. В этих целях используются уплотняющие устройства. [2]

Печь футерована огнеупорными кирпичами, типы которых меняются по длине печи в соответствии  с изменяющейся температурой газа и материала. Кирпичи  покрываются слоем обожженного материала, который играет существенную роль в изоляции футеровки и продлении ее жизни. Производительность вращающихся печей зависит от длины зоны обжига, которая примерно пропорциональна длине зоны горения топлива.

 

1.2 Барабанный холодильник

Обожженный во вращающейся печи материал поступает в холодильник, где он охлаждается воздухом, который  затем расходуется в печи на горение  топлива. Применяются барабанные, рекуператорные и колосниковые холодильники.

Тепловой коэффициент полезного  действия барабанного холодильника 65-70%. Используется барабанный холодильник 2,5*24,5м для вращающихся печей3,0*51,3м и 3,5/3,0*60,0м. толщина корпуса холодильника равна 16мм. Он установлен на двух опорах с уклоном 5% и приводится во вращение со скоростью 5 об/мин от электродвигателя мощностью 29,5 квт. На протяжении 10м от горячего конца холодильник футерован износоустойчивым термостойким шамотным кирпичом толщиной 120-150 мм, срок службы которого составляет 1-2 года. Далее на протяжении 13,5 м к внутренней поверхности холодильника присоединены полки из швеллерного железа длиной 1,4м каждая, которые служат для пересыпания материала. По окружности барабана имеется 12 полок, причем в смежных рядах полки расположены в шахматном порядке.

Наружный воздух поступает  в холодильник через его открытый конец за счет разряжения в головке печи. Поступающий из печи в холодильник горячий материал в процессе пересыпания в холодильнике охлаждается воздухом. Нагретый воздух используется в печи для горения топлива.[1]

 

1.3. Обжиг извести во вращающихся печах

Обжиг во вращающихся печах имеет  следующие преимущества:

1. большую производительность единичного аппарата,
2. высокое качество извести вследствие равномерности обжига и высокой степени диссоциации известняка,
3. возможность обжига мелких фракций известняка, мела и других рыхлых карбонатных пород,
4. сравнительно небольшую продолжительность процесса обжига, меньшие затраты рабочей силы на единицу продукции,

Вместе с тем обжиг во вращающихся печах требует большего расхода топлива и электроэнергии и больших капиталовложений.

Для обжига можно применять  твердое, пылевидное, жидкое и газообразное топлива. Во вращающихся печах наблюдается  значительный унос пыли, что требует  установки эффективных пылеулавливающих аппаратов.

Во вращающихся печах необходимо обжигать известняк с кусками однородных размеров так, чтобы не было значительной разницы в размере наибольших и наименьших кусков материала. На некоторых заводах обжигают мелкие фракции известняка, являющимися отходами, полученными в результате дробления и сортировки известняка для обжига в шахтных печах. Во вращающихся печах можно обжигать и мелоподобный известняк малой прочности, однако его необходимо загружать в печь в высушенном состоянии (сухой способ) или в виде шлама, содержащего 36-44% воды (мокрый способ).

Применение вращающихся печей  позволяет получить мягко обожженную высокоактивную при использовании  практически любых видов топлив, добиться полной механизации и автоматизации  процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Задание на курсовой  проект

Вариант №24

Проект вращающейся печи для  обжига извести с теплообменной конвейерной решеткой.

1. производительность:80т/ч
2. затраты сухой сырьевой шихты, дополнительно вводимой для компенсации пылеуноса: 1,2% от массы сухого материала
3. топливо: природный газ.
4. содержание в сухом сырье связанного СО₂-36,5%
5. начальная влажность сырья:17%
6. максимальная температура обжига:1450°С
7. температура материала, выходящего из печи:930°С
8. температура отходящих газов:110°С
9. тип холодильника: колосниковый.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная часть.

 

3.1. Расчет процесса горения газообразного топлива

 

Газообразное топливо, об. %

СН4с   -   83,5 С2Н6с -     4,3 C3H8  -     1,9 C4H10  - 1,0 C5H12+В   - 0,5 CO2        -     0,2 N2       -     8,6 Итого - 100,0 Температура топлива 14 °С.   Коэффициент избытка воздуха α = 1,1

3.1.1 Расчет рабочего состава топлива

 

ω =9,2г/м³ (по табл. П6);

= = 1,131 (об.%)                                                                                  (1)

К_С→Р = = = 0,989                                                                                        (2)

 

СН₄^р=CH₄^c•К_С→Р= 83,5*0,989=82,580 (об. %);                                                                             (3)

СН₄^Р/100 = 0,8258 (м³/м³_т).                                                                                               (4)

 

 

Сводят результаты в табл. 1.

 

 

 

Таблица 1.

Состав рабочего газообразного топлива

Составляющая	, об %	, м3/м3т
СН4 С2Н6 C3H8         C4H10        C5H12+В N2 СO2	82,580 4,253 1,879 0,989 0,495 8,505 0,198	0,8258 0,0425 0,0188 0,0099 0,0049 0,08505 0,0019
Итого	100	1.0000

 

3.1.2 Расчет теплотворной способности топлива

Для газообразного топлива  рассчитывается по аддитивности:

=   =358.2 ^. CH₄^P + 637.5 ^. C₂H₆^P + 912.5 ^. C₃H₈^P + +1186.5 ^. С₄Н₁₀^Р +

+ 1460.8 ^. С₅Н_12+B^P +231 ^. Н₂S^Р + 107.6 ^. Н₂^P + 126.5 ^. СО^P + 587 ^. С₂Н₄^P (кДж/м³_т).                  (5)

  =358,2*82,58+637,5*4,253+912,5*1,879+1186,5*0,989+1460,8*0,495=35407 (кДж/м³_т). 

3.1.3.  Расчет количества воздуха для горения топлива

Рассчитывают общее количество кислорода, теоретически необходимого для сжигания 1 м³ топлива, с учетом содержания в топливе кислорода:

         = = - = 2 + 3.5 + 5 + 6,5 + 8          (6)                    

= 2 + 3.5 + 5 + 6,5 + 8 =

= 2*0,826+3,5*0,0425+5*0,0188+6,5*0,0099+8*0,0049=1,998(м³/м³_т).

= ^. = 3.773 ^. = 3.773 ^. 1,998=7,538 (м³/м³_т)                                              (7)

Объем всего теоретически необходимого воздуха:

= 4.773 ^. = + = 7,538 +1,998=9,536 (м³/м³_т).                                           (8)

Объемы кислорода  и азота в избыточном воздухе, избыточное и общее количество воздуха определяют по формулам:

= (α – 1) ^. = (1.2-1) ^. 1,998 =0,3996 (м³/м³_т);                                                              (9)

 

= (α – 1) ^. = (1.2 - 1) ^. 7,538 = 1,5078(м³/м³_т);                                                          (10)

 

=(α – 1) ^. = 0,3996+ 1,5078 = 1,9074 (м³/м³_т);                                                           (11)

 

= + = 9,536+1,9074 = 11,443 (м³/м³_т).                                                                (12)

3.1.4. Расчет количества и состава продуктов горения

                     (13)

=0,826+0,085+0,0564+0,0396+0,0245+0,0019=1,043(м^З/м³_т);                                                           

=

=1,7677(м^З/м³_т).                                                                                                                         (14)

 

Содержание  остальных составляющих в продуктах  горения:

= 0,086+7,538+1,5078=9,1318(м^З/м³_т);                                      (15)

= 0,3996 (м³/м³_т).                                                                                               (16)

Объем продуктов горения с учетом избытка воздуха:

= + + + =

=1,043+1,7677+9,1318+0,3996=12,342(м³/м³_т).                                                                          (17)                                                                    

  При теоретически необходимом  расходе воздуха:

= - =12,342-1,9074=10,4347(м³/м³_т).                                                           (18)                                                          

Содержание каждой из составляющих в продуктах горения в долях по объему (м³/м³_т):    

                                                                                                                                       (19)

 

   =  1,043/12,342=0,0846                 (20)

 

Значения  для всех составляющих:

СО₂  - 0,0846; Н₂О – 0,143; N₂  - 0,74; O₂ – 0,0324. Итого 1.0000.

3.1.5. Определение плотности продуктов горения

 

=1,977*0,0846+0,804*0,143+1,257*0,74+1,429*0,0324=1,254(кг/м³),     (21)

 

где - плотность составляющих воздуха за вычетом кислорода;

= + + + + + + + + + + =

=1,977*0,0019+0,717*0,826+1,251*0,086+1,356*0,0425+2,02*0,0188=0,801(кг/м³).     (22)      

 

3.1.6. Составление материального баланса процесса горения

 

 

 

Таблица 2.

Приход:	Расход:
Масса топлива: = = 0,801*1 = 0,801 кг.	Масса продуктов горения: = 1,254*12,342 = 15,576 кг;
Масса воздуха: = 1,293*11,443=14,7963 (кг).
= = 15,597(кг).	= = 15,576 (кг).
Δ = |15,597-15,576| =  0.021кг.   < 0.05 кг.

3.1.7. Определение минимально необходимой температуры подогрева воздуха.

Δ = -                (23)

= 1450°С, тогда при Δ = 50

= + Δ =  1450+50= 1500 (°С).           (24)

 

Принимаем = 0,75, тогда:

= = = 2000(°С).            (25)

 

Средняя объемная теплоемкость продуктов  горения в интервале температур от 0°С до определяется по аддитивности с использованием значений теплоемкости отдельных составляющих [5]

 

=

=2,3955*0,0846+1,9267*0,143+1,4706*0,74+1,5483*0,0324=1,620(кДж/м^3.˚С).                 (26)                                                                                                

 

Теплосодержание продуктов горения  при калориметрической температуре:

= 2000*1,620*12,342=39988 (кДж/м³_т).       (27)

 

Q_к^п.г=39988>Q_н^р=35407

Q_возд. = Q_к^п.г - Q_н^р =39988-35407=4581 (кДж/м³_т). 

= 4581/1,29*11,443 = 310,3 ˚С

Q₁₀₀^возд.= 11,443*1,3005*100=1488 (кДж/м³_т). 

Q₀^возд.= 11,443*1,2971*1=15 (кДж/м³_т). 

1488 – 15 – 100

4581 – 15 – Х

Х= =55,9 ˚С

  = 55,9 ˚С

 

3.2.Расчет затрат сырья и выхода продуктов разложения.

3.2.1. Теоретические затраты сухого сырья без учета пылеуноса.

G^'_сс=              (28)

G^'_сс= =1,835 (кг/кг_кл)

3.2.2. Затраты сырья с учетом пылеуноса.

G_сс=                   (29)

 

 

G_сс= =1,948  (кг/кг_кл)

 

3.2.3. Выход безвозвратной уносимой пыли.

 

         (30)

 

 

G_ПУ= =0,113       ( кг/кг_кл)

3.2.4. Выход СО₂ из сырья.

 

          (31)

 

= =0,113 (кг/кг_кл)

 

              (32)

 

   = =0,0571 (м³/кг_кл)

3.2.5.Затраты влажного сырья.

              (33)

 

=1,988 (кг/кг_кл)

3.2.6. Выход физической влаги.

 

              (34)

 

0,398  (кг/кг_кл)

 

                  (35)

 

 

0,0494  (м³/кг_кл)

3.2.7. Выход СО₂ в теплообменник.

  

                (36)

 

0,0835(кг/кг_кл)

                         (37)

 

 

0,04223(м³/кг_кл)

3.3.Определение размеров печи и потерь теплоты в окружающее пространство.

 По заданному значению (т/ч) принимаем по опытным данным для печей того же типа и близкой производительности.

 

 

3.3.1 Площадь наружной боковой поверхности печи по корпусу.

 

     (38)

 

(м²)          (39)

3.3.2 Диаметр печи по корпусу.

 

                 (40)

 

 =3,97  (м)

3.3.3 Толщина футеровки печей.

 

d=0.200 (м), т.к D_нар=3,97

 

           (41)

 

 3,57(м)

 

3.3.4 Длина печи.

 

              (42)

 

59,5 (м)

3.3.5 Размеры зон печи.

Зона подогрева:

Lпод=0,2*59,5=11,90 (м)

Зона обжига:

Lобж=0,7*59,5=41,64 (м)

   Зона охлаждения:

Lохл=0,1*59,5=5,95 (м) 

Определение действительной температуры горения.

Объемная энтальпия продуктов  горения с учетом подогрева воздуха  до температуры на выходе из зоны охлаждения.

 

in.г=            (43)

 

in.г= (кДж/м³)

 

 

Объемная температура горения  с учетом пирометрического К.П.Д  процесса горения n_пир=0,80 [4].

 

in.г=3432*0,8=2745 (кДж/м³)          (44)

 

Действительная температура горения определяется при α=1.1, с учетом диссоциации, определяется по i-t диаграмме [3].

 

t_гор=1790 ºC

3.3.6 Определение средних температур внутренней поверхности футеровки и площадей поверхности теплопередачи по зонам печи.

 

Среднее значение диаметра печи.

 

                    (45)

 

    (м)

 

 

Средние значения температур внутренней поверхности футеровки по зонам  определили по данным таблицы [4]. Температура выходящих из печи газов ориентировочно принята равной 1100 ºC.

Зона подогрева:

  

                (46)

 

 

 

             (47)

 

(м²)

Зона обжига:

 

По формуле (46)

 

По формуле (47)

 

(м²)

 

Зона охлаждения:

По формуле  (46)

 

 

По формуле (47)

 

(м²)

 

Исходя из средних температур, выбираем материалы футеровки:

Для зоны подогрева выбираем ЩЦО (шамот обычный). Значения коэффициентов уравнений [5].

λ₁=0,7

λ₂= 0,00064

Для зоны обжига выбираем ХПЦ (хромитопериклазовый):

λ₁=2.47

λ₂= -0,209·10^-3

Для зоны охлаждения  выбираем МЛЦ (Муллитовые):

λ₁=1.12

λ₂= 0.444·10^-3

Для расчета на компьютере вычисляем  значения площадей внутренней и наружной.

 Для зоны подогрева:

 (м²)

(м²)

Для зоны обжига:

 (м²)   (м²)

Для зоны охлаждения: