Проект вращающейся печи для обжига портландцементного клинкера
|
Кафедра технологии стекла и общей технологии силикатов |
Факультет I
Курс 4
Группа 1183 |
Учебная дисциплина
ПЕЧИ И СУШИЛА СИЛИКАТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: Проект вращающейся печи для обжига портландцементного клинкера
Студент
Закурдаева О.С. Личная подпись Расшифровка подписи
Руководитель
Арсирий А. И. Личная подпись Расшифровка подписи
Оценка за курсовую работу
Санкт-Петербург
2012
Содержание
Введение 4
1 Аналитический обзор 6
1.1 Вращающаяся печь 6
1.2 Рекуператорный холодильник 7
1.3 Обжиг портландцементного клинкера во вращающихся печах 8
2 Задание на курсовой проект 9 3 Расчетная часть 10
3.1 Расчет процесса горения газообразного топлива 10
3.2 Расчет затрат сырья и выхода продуктов разложения 11
3.2.1 Теоретические затраты сухого сырья без учета пылеуноса 11
3.2.2 Затраты сырья с учетом пылеуноса 11
3.2.3 Выход безвозвратно уносимой пыли 11
3.2.4 Выход СО2 из сырья. 11
3.2.5 Выход гидратной влаги из сырья 11
3.2.6 Затраты влажного сырья 12
3.2.7 Выход физической влаги из сырья 12
3.2.8 Масса пыли, возвращаемой в
печь (возвратного уноса)
3.3 Расчёт минерального состава клинкера и теплового эффекта клинкерообразования при 0 °С 13
3.3.1 Расход теплоты
3.3.2 Приход теплоты
3.4 Определение размеров печи и потерь теплоты в окружающее пространство 14
3.4.1 Площадь наружной боковой поверхности печи по корпусу 14
3.4.2 Диаметр печи по корпусу 15
3.4.3 Толщина футеровки печи
3.4.4 Длина печи 15
3.4.5 Размеры зон печи
3.4.6 Определение средних температур внутренней поверхности футеровки и площадей поверхности теплопередачи по зонам печи 17
3.5 Тепловой баланс вращающейся печи 20
3.6 Расчёт цепной завесы печи, работающей по мокрому способу 23 3.6.1 Тепловой баланс зоны 23 3.6.2 Определение размеров цепной зоны 25
3.7 Расчет рекуператорного холодильника 27 3.7.1 Тепловой баланс холодильника 27
3.7.2 Определение размеров холодильника 28
Вывод 30
Список литературы
Введение
В силикатной промышленности, охватывающей 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 цементного клинкера.
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
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
- высокая удельная
- 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
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]
В производствах спекаемых
1 Аналитический обзор
1.1 Вращающаяся печь
Вращающаяся печь представляет собой наклонно расположенный барабан (труба) из толстой листовой стали с внутренней футеровкой огнеупорными материалами. Обжигаемый материал внутри печей перемещается в виде кусков, порошка, гранулированной или брикетированной сырьевой смеси и шлама с влажностью до 40 %. Перемещение материала создается благодаря вращению печи обычно со скоростью от 0,5 до 4,0 об/мин и наклону ее к горизонту 3 – 5 %. Топливо и воздух вводят через нижний конец печи, вблизи которого происходит горение. От 15 до 35 % воздуха, необходимого для горения топлива, подается через форсунку. Остальной воздух поступает из сообщающегося с печью холодильника за счет разрежения, создаваемого дымовой трубой или дымососом. В холодильнике материал охлаждается холодным воздухом.
Таким образом, физико-химические процессы во вращающейся печи происходят 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.
Основными размерами вращающейся печи является диаметр D и длина L. Для печей, работающих в настоящее время в различных отраслях промышленности, эти размеры колеблются в очень широких пределах. Современные вращающиеся печи для обжига цементного клинкера имеют диаметр до 5,0 м и более, длина печей достигает 230 м.
К конструктивным элементам вращающейся печи относятся корпус, опоры, привод, головка, уплотнительные устройства, теплообменные устройства, футеровка и узел питания печи. В качестве теплообменных устройств используются фильтр-подогреватели шлама, цепные завесы, металлические и керамические теплообменники.
В настоящее время вращающаяся печь с цепями и теплообменником является основным агрегатом для получения цементного клинкера при мокром способе производства. Она надёжна в эксплуатации продукции и отличается значительной мощностью, а также высоким качеством продукции и экономичностью.
1.2 Рекуператорный холодильник
После обжига во вращающейся печи
клинкер поступает в
Рекуператорные холодильники составляют одно целое с печью. Их отличает износостойкость, простота конструкции и сравнительно небольшие размеры. Недостатком рекуператорного холодильника является неполное охлаждение материала. Тепловой КПД рекуператорного холодильника составляет 65-70%. Используются рекуператоры для вращающихся печей 3,6/3,3*150 м и 3,0/2,7*118 м.
Рекуператорный холодильник
В рекуператор возвращается часть охлажденного материала. Это предусмотрено для облегчения работы рекуператоров путем снижения температуры поступающего в них материала.
1.3 Обжиг цементного клинкера во вращающейся печи
Вращающиеся печи, используемые для получения цементного клинкера, работают по принципу противотока. При мокром способе производства шлам подаётся в печь со стороны её верхнего (холодного) конца, а топливно – воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 – 30 м длины печи, вдувается со стороны нижнего (горячего) конца. Горячие газы движутся навстречу материалу, нагревая его до требуемой температуры.
Вращающуюся печь в зависимости от характера процессов, протекающих в обжигаемом материале на различных её участках, условно можно разделить на следующие температурные зоны: сушка, подогрев и декарбонизация, зона экзотермических реакций, спекание и охлаждение.
В водной среде облегчается измельчение материалов и улучшается их перемешивание. В результате получается более однородная шихта, что в конечном счете приводит к росту марки цемента, которая определяется прочностью при сжатии. Кроме того, при мокром способе упрощается транспортировка шлама и улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Сравнительная простота мокрого способа и возможность получения высокомарочной продукции на сырье пониженного качества обусловили его широкое распространение в цементной промышленности нашей страны. В настоящее время этим способом выпускается около 85 % клинкера. В то же время введение в шлам значительного количества воды (30-50 % массы шлама) требует высоких затрат электроэнергии на ее испарение. В результате расход теплоты при мокром способе (5,8-6,7 МДж/кг) на 30-40 % выше, чем при сухом способе. Кроме того, при мокром способе возрастают габариты и соответственно металлоемкость печей.
2 Задание на курсовой проект
Вариант №1
Проект вращающейся печи для обжига портландцементного клинкера
- производительность: 8 т/ч
- затраты сухой сырьевой шихты, дополнительно вводимой для компенсации пылеуноса: 1,25% от массы сухого материала
- топливо: природный газ
- содержание в сухом сырье связанного СО2 – 38.2 %, гидратной влаги 1.5 %
- начальная влажность сырья: 37 %
- максимальная температура обжига: 1480 °С
- температура материала, выходящего из печи: 1170 °С
- температура отходящих газов: 180 °С
- тип холодильника: рекуператорный
Химический состав клинкера, мас.доли, %:
S: SiO2 – 22.70
A: Al2O3 – 5.54
F: Fe2O3 – 3.95
C: CaO – 65.76
M: MgO – 1.55
S: SO3 – 0.50
3 Расчетная часть
3.1 Расчет процесса горения газообразного топлива
Таблица 1 - Состав газообразного топлива
Состав |
Содержание, % |
СН4 |
98.5 |
С2Н6 |
0.6 |
C3H8 |
0.1 |
CO2 |
0.1 |
N2 |
0.7 |
Итого |
100.0 |
Температура топлива 1 °С.
Выполняется на ЭВМ "Искра - 1256" по методике, изложенной в [5]. Принят коэффициент избытка воздуха для горения α = 1.2 [5].
В результате расчета получено:
- количество воздуха для горения топлива Vв=11.33 м3/м3т;
- объем продуктов горения с учетом избытка воздуха Vп.г.=12.33 м3/м3т;
- теплотворная способность топлива =35527 кДж/м3т;
- минимально необходимая температура подогрева воздуха
(обозначения согласно [5]).
Таблица 2 - Состав рабочего газообразного топлива
Составляющая |
, об % |
, м3/м3т |
|
СН4 С2Н6 C3H8 N2 Н2O CO2 |
97.909 0.596 0.099 0.696 0,643 0.099 |
0,97909 0,00596 0,00099 0,00696 0,00643 0.00099 |
Итого |
100.042 |
1.00042 |
Таблица 3 – Состав продуктов горения, об.%
H2O |
CO2 |
O2 |
N2 |
|
16.05 |
8.07 |
3.22 |
72.67 |
3.2 Расчет затрат сырья и выхода продуктов разложения
3.2.1 Теоретические затраты сухого сырья без учета пылеуноса:
G'сс=
G'сс= =1.658 (кг/кгкл) (1)
3.2.2 Затраты сырья с учетом пылеуноса:
Gсс= Gсс= =1,679 (кг/кгкл) (2)
3.2.3 Выход безвозвратно уносимой пыли:
GПУ= =0,017 ( кг/кгкл) (3)
3.2.4 Выход СО2 из сырья:
= =0.637 (кг/кгкл) (4)
= =0,322 (м3/кгкл) (5)
3.2.5 Выход гидратной влаги из сырья:
= 0.025 (кг/кгкл) (6)
= =0.031 (м3/кгкл) (7)
3.2.6 Затраты влажного сырья:
=2.665 (кг/кгкл) (8)
3.2.7 Выход физической влаги:
0.986 (кг/кгкл) (9)
1.226 (м3/кгкл) (10)
3.2.8 Масса пыли, возвращаемой в печь (возвратного уноса):
Gвозвр = Gппу – Gпу
Gвозвр = 0.13 – 0.017 = 0.113 (кг/кгкл) (11)
3.3 Расчёт минерального состава клинкера и теплового эффекта клинкерообразования при С
65.76 - 0.7 ∙ 0.5 = 65.41 % (12)
4.07∙65.41–7.6∙22.7-6,72∙5.54-
8.6∙22.7-3.07∙65.41+5.1∙5.54+
2.65∙5.54-1.69∙3.95=8.006 % (15)
3.04∙3.95=12.008 % (16)
3.3.1 Расход теплоты
На дегидратацию глинистого компонента:
/100
= 1.658∙1.5∙6870/100=170.9 (кДж/ ) (17)
На декарбонизацию известкового компонента:
= = 2563.4 (кДж/ ) (18)
На образование жидкой фазы:
ГМ=А/F
ГМ=5.54/3.95=1.403 (19)
(20)
3.3.2 Приход теплоты
За счёт образования клинкерных материалов:
(кДж/ ) (21)
За счёт стеклообразования:
= 0.5∙172.6=86.3 (кДж/ ) (22)
= 170.9+2563.4+172.6-86.3-478.7=
3.4 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:
(24)
(25)
3.4.1 Площадь наружной боковой поверхности печи (по корпусу):
(м2) (26)
3.4.2 Диаметр печи по корпусу:
=1.95 (м) (27)
3.4.3 Толщина футеровки печей:
d=0.200 (м), т.к Dнар=1.95 (м) < 5.2 (м)
Диаметр печи по футеровке:
1.55(м) (28)
3.4.4 Длина печи:
72.2 (м) (29)
3.4.5 Размеры зон печи:
Средняя скорость движения материала в печи:
(м/ч) (30)
где i – наклон барабана печи по отношению к горизонтали, % i = 4 – 5% , т.к. м.
n– частота вращения печи (1/ч), n = 0.6–1.2 (принимается тем выше, чем меньше значение i).
- угол естественного откоса; = 0.78 – 0.87 (зона спекания), = 0.71 – 0.77 (зона охлаждения).
i = 4.5%; n = 0.7
Длины зон спекания и охлаждения определяем по необходимому времени пребывания в них материала :
(м) (31)
где = 0.50 – 0.65 ч (зона спекания), = 0.20 – 0.25 ч (зона охлаждения)
Я принимаю = 0.55 для зоны спекания и = 0.23 для зоны охлаждения.
Для зоны спекания:
(м/ч)
(м) (32)
Для зоны охлаждения:
(м/ч)
(м) (33)
Длина зон декарбонизации и экзотермических реакций:
(м) (34)
= (м) (35)
Для печей мокрого способа
(м) (36)
Суммарная длина первых трёх зон печи без учёта :
L'1-3 = L – Lохл – Lспек – Lэкз – L'ц
L'ц = 72.2 – 2.8 – 6.3 – 4.3 – 13.7 = 45.1 (м) (37)
Определение действительной температуры горения топлива
Объемная энтальпия продуктов горения топлива с учетом подогрева воздуха до температуры на выходе из зоны охлаждения:
in.г= (64)
in.г= (кДж/м3)
Объемная энтальпия продуктов горения с учетом пирометрического КПД процесса горения nпир=0.8 [4]:
in.г=3200∙0.8=2560 (кДж/м3) (38)
Действительная температура
3.4.6 Определение
средних температур внутренней
поверхности футеровки и
Среднее значение диаметра печи:
(м) (39)
Средние значения температур внутренней поверхности футеровки по зонам определили по данным таблицы [П5] [5]
Таблица 4 - Средние значения температур внутренней поверхности футеровки
Зона |
Температура, | |||
|
Материала |
Газов | |||
Начало зоны |
Конец зоны |
Начало зоны |
Конец зоны | |
Сушка, декарбонизация |
100 (ц.з.) |
950 |
900 |
1550 |
Экзотермические реакции |
950 |
1200 |
1550 |
1610 |
Спекание |
1300 |
1300 |
1610 |
400 |
Охлаждение |
1300 |
1170 |
400 |
300 |
(40)
Площадь поверхности по зонам:
(41)
Зона декарбонизации:
(м2)
Зона экзотермических реакций:
По формуле (40)
По формуле (41)
(м2)
Зона спекания:
По формуле (41)
(м2)
Зона охлаждения:
По формуле (40)
По формуле (41)
(м2)
Исходя из средних температур, выбираем материалы футеровки:
Таблица 5 - Выбор материала футеровки по зонам печи
Зона |
Материал футеровки |
Характеристика материала |
Значения коэффициентов λ=a1+b1t+ b2t2+ b3t3 | |||
|
a1 |
b1*103 |
b2*103 |
b3*103 | |||
|
Сушка, декарбонизация |
ШЦО |
Шамот обыкновенный |
0.806 |
-0.523 |
1.77 |
-0.867 |
Экзотермические реакции |
ХПЦ |
Хромитопериклазовый |
2.47 |
-0.209 |
- |
- |
Спекание |
ПШЦ |
Периклазошпинелидный |
3.14 |
-0.644 |
- |
- |
Охлаждение |
МКРЦ |
Муллитокремнезёмистый |
1.34 |
0.010 |
||
Потери теплоты и значения внутренних температур футеровки печи считаем на ЭВМ, получаем:
Таблица 6 - Данные расчета на ЭВМ
Зона |
Q, Вт |
tвн, 0С |
tнар, 0С |
Сушка, декарбонизация |
2094.82 |
= 875 |
111 |
Экзотермические реакции |
11601.88 |
= 1328 |
318 |
Спекание |
12610.36 |
= 1298 |
333 |
Охлаждение |
4176.28 |
= 793 |
171 |
Потери теплоты печью:
(42)
или в расчете на 1кг клинкера:
(43)
3.5 Тепловой баланс вращающейся печи
Составляется на 1 кг клинкера с целью определения затрат топлива ХТ, (газообразное топливо).
Приходные статьи:
1 Потенциальная теплота топлива:
(44)
2 Теплосодержания топлива:
Этой статьёй мы пренебрегаем так как топливо подогревается до tт < 100 0С.
3 Теплосодержание поступающего воздуха:
(45)
4 Теплосодержание влажного сырья
tc=20 0С
(46)
Расходные статьи:
1 Затраты теплоты на физико-химические превращения:
2 Затраты теплоты на испарение физической влаги:
(47)
где r0 – удельная теплота парообразования.
3 Теплосодержание цементного клинкера, выходящего из печи:
(48)
4 Теплосодержание отходящих газов:
(49)
5 Потери теплоты с безвозвратным уносом:
Принимаем tпу=tо.г=180 ºC
(50)
6 Затраты теплоты на декарбонизацию безвозвратного уноса:
