Расчет воздухоподогревателя доменной печи
Министерство образования РФ
Старооскольский Технологический Институт
(филиал)
Московского Государственного Института
Стали и Сплавов
(Технологического
Кафедра МТП
Курсовая работа
по дисциплине: «Теплотехника»
на тему: «Расчет воздухоподогревателя доменной печи»
Выполнил: ст. гр. ТФА
Пешков С.А.
Проверила: ст. препод.
Трубчанинова А.Л.
г. Старый Оскол
2005 г.
РАСЧЕТ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Доменная печь объемом 3200 м3 оборудована 4 воздухонагревателями, работающими последовательно.
Расход воздуха на печь VB= 95 м3/с (342000 м3/ч). Температура нагрева воздуха tB=1300°C. Насадка воздухонагревателя выполнена из блочного кирпича с вертикальными выступами и горизонтальными проходами. Материал насадки — динас (верх) и шамот (низ). Нагрев воздухонагревателя производится смешанным коксодоменным газом с теплотой сгорания QPн смеси = 7.2 МДж/м3.
Определить геометрические размеры воздухонагревателя.
Расчет горения коксодоменного газа с коэффициентом расхода воздуха n =1,1.
Состав сухих газов: (коксовый) СО2 = 2,5%, СО = 7,38%, Н2 = 54,92%, N2 = 3,66%, СН4 = 25,38%, С2Н4 = 4,25%, О2 = 1,66%.
Доменный: СО2 = 11%, СО = 30,5%, Н2 = 2,5%, N2 = 55,1%, СН4 = 0,9%.
Принимая влажность коксового газа равной Wк = 25 г/м3, а влажность доменного газа Wд = 25 г/м3, по формулам рассчитываем состав влажных газов:
хвл = хсух ×100/(100 + 0,1242×W),
хквл = хксух ×100/(100 + 0,1242×25) = 0,97 ×хксух,
хдвл = хдсух ×100/(100 + 0,1242×30) = 0,964 ×хдсух.
Тогда состав влажных газов: коксовый
СО2 = 2,42%, СО = 7,16%, Н2 = 53,27%, N2 = 3,55%, СН4 = 24,61%, С2Н4 = 4,12%, О2 = 1,61%, Н2О = 3,26 %.
Доменный: СО2 = 10,6%, СО = 29,4%, Н2 = 2,41%, N2 = 53,11%, СН4 = 0,87%, Н2О = 3,61 %.
Находим низшую теплоту сгорания газов:
QPн. кокс = 127,7СО + 108Н2 + 358×СН4 + 590×С2Н4 + 555× С2Н2 + 636×С2Н6 = 127,7×7,16 + 108×53,27 + 358×24,61 + 590×4,12 = 17908 кДж/м3.
QPн. дом = 127,7×29,4 + 108×2,41 + 358×0,87 = 4326 кДж/м3.
Находим долю каждого газа:
а = (QPн. кокс - QPн. смеси) / (QPн. кокс - QPн. дом) = (17908 – 7200)/(17908 – 4326) = 0,79
и хсм = хдом×а + хкокс(1-а) = хдом×0,79 + хкокс×0,21,
откуда
СОсм2 = 10,6×0,79 + 2,42×0,21 = 8,88%,
СОсм = 29,4×0,79 + 7,16×0,21 = 24,73%,
Н2см = 2,41×0,79 + 53,27×0,21 = 13,09%,
N2см = 53,11×0,79 + 3,55×0,21 = 42,7%,
СН4см = 0,87×0,79 + 24,61×0,21 = 6,01%,
С2Н4см = 0×0,79 + 4,12×0,21 = 0,86%,
О2см = 0×0,79 + 1,61×0,21 = 0,34%,
Н2Осм = 3,61×0,79 + 3,26×0,21 = 3,54%,
å = 100%
Находим расход кислорода для сжигания смешанного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1.0:
Vo2 = 0,01[0,5(CO + H2) + å(m+n/4)CmHn] = 0,01[0,5(24,73 + 13,09) + (1+4/4) 6,01 + (2 + 4/4)× 0,86] = 0.335 м3/м3.
Расход сухого воздуха при n = 1,1
1,75 м3/м3.
где – отношение содержания и в дутье
Нахожу состав продуктов сгорания:
СОсм2 + СОсм + 2×С2Н4см) = 0,01(6,01 + 8,88 + 24,73 + 2×0,86) = 0,41 м3/м3
+ Н2Осм + Н2см] = 0,01[0,5(4×0,86 + 4×6,01) + 3,54 + 13,09] = 0,3 м3/м3
+ 0,01× N2см = 1,1×3,762×0,335 + 0,01×42,7 = 1,81 м3/м3
(1,1 – 1)× 0,335 = 0,033 м3/м3.
Определяю суммарный объём продуктов сгорания:
0,41 + 0,3 + 1,81 + 0,033 = 2,56 м3/м3.
Рассчитаю процентный состав продуктов сгорания:
16%
11,75%
70,75%
1,5%
Правильность расчета проверим составлением материального баланса.
Поступило, кг |
Получено, кг |
СО2 =0,088×1,963 = 0,17 СО = 0,25×1,25 = 0,31 СН4 = 0,06 · 0,716 = 0,04 |
СО2 = 0,41 ·1,963 = 0,804 Н2О = 0,3 · 0,804 = 0,241 |
С2Н4 = 0,0086×1,25 = 0,01 Н2 = 0,13×0,09 = 0,01 О2 = 0,0035 ·1,428 = 0,005 N2 = 0,427 ·1,25 =0,53 Н2О = 0,0354 · 0,804 =0,03 Всего: 1,105 Воздух: 1,75·1,29= 2,26 Итого: 3,36 |
N2 = 1,81 ·1,25 = 2,26 О2 = 0,033 ·1,428 = 0,047
Всего: 3,35 |
Принимая, что воздух, поступающий в воздухонагреватель после воздуходувки, имеет температуру tнв =200°С, находим температуру продуктов сгорания.
Находим энтальпию продуктов сгорания
i0 = (7200+261,94×1,75)/2,56 = 2991 кДж/м3,
где iв = 261,94 кДж/м3 — энтальпия воздуха при tнв =200 °С .
Находим энтальпию продуктов сгорания при принятой температуре t’д=1700°С с использованием приложения.
i1700 = 4087,1×0,16 + 3203,05×0,1175 + 2632,09×0,015 + 2486,28×0,7075 = 2828,0 кДж/м3.
Поскольку i1700 < i0, принимаем t”д =1800°С и определим энтальпию продуктов сгорания при этой температуре
i1800 = 4360,67×0,16 + 3429,9×0,1175 + 2800,48×0,015 + 2646,76×0,7075 = 3015,4 кДж/м3.
Находим истинную калориметрическую температуру продуктов сгорания
tк = 1700 + (2991 – 2828)×100/(3015,4 – 2828) = 1787°С
Так как для топочных камер hпир= 0,95, действительная температура продуктов сгорания равна
tд = hпир× tк = 0,95 • 1787 = 1697°С.
Принимая снижение температуры продуктов
сгорания до поступления в насадку равным
3 % от tд найдем температуру дымовых газов
на входе в насадку сверху tнд =0,97×1697= 1647 °С.
Среднюю за период температуру дыма на выходе из насадки примем равной tкд =250°C. При начальной и конечной температурах энтальпия продуктов сгорания равны
iнд = 3950×0,16 + 3093×0,1175 + 2548×0,015 + 2407×0,7175 = 2760 кДж/м3;
iкд = 462,7×0,16 + 383,4×0,1175 + 337,4×0,015 + 336,5×0,7175 = 362,0 кДж/м3.
Согласно приложению энтальпия воздуха на входе в насадку при tнв =200°С равна iнв =262 кДж/м3.
Зададим для предварительных расчетов величину падения температуры воздуха в течение воздушного периода Dt”в =100°С. Тогда средняя температура дутья на выходе из насадки в течение периода будет равна iнв =0,5 [1300+ (1300+100)] = 1350 °С, при которой энтальпия воздуха будет равна iкв = 1800 кДж/м3.
Расход продуктов сгорания Vд находим из уравнения теплового баланса насадки
0,95× Vд (iнд - iкд)tд = Vв(iкв - iнв)tв,
где 0,95 - коэффициент, учитывающий потери
тепла в насадке.
Предварительно необходимо задаться временем между перекидками в дымовом периоде tд=6200 с (1,7 ч) и длительностью времени на перекидку tп =360 с (0,1 ч).
Находим длительность воздушного периода
tв =(tд + tп) / (n-1) = (6200 + 360)/(4-1) = 1800 с (0,5 ч),
где n – число воздухонагревателей.
Общая продолжительность цикла равна
tå = 6200 + 360 + 1800 = 9080 с (2,8 ч).
Теперь определяем
Vд = 95(1800-262)1800 /0,95(2760 - 362)6200 = 22,44 м3/с (80812 м3/ч)
и расход смешанного коксодоменного газа на воздухонагреватель
VCM = Vд/Lд = 22,44 /2,56 = 8,76 м3/с (31556 м3/ч).
Расход воздуха на горение смешанного газа
Vгорв = VCM ×LB = 8,76 ×1,75 = 15,33 м3/с (55188 м3/ч).
Предварительное определение поверхности нагрева насадки
Тепло, затраченное на нагрев воздуха
QB = VB (iкв - iнв)tв = 95×(1800-262)×1800 = 368×106 кДж/цикл.
Среднелогарифмическая разность температур
Dt = [(1647 - 1350) - (250 -200)] /ln((1647 - 1350)/(250 -200)) = 138,6 °С.
Примем скорость дыма равной wд0=2,0 м/с. Скорость воздуха при нормальных условиях будет равна
wв0 = wд0Vв /Vд = 2,0 ×95/22,44 = 8.47 м/с.
Средние за период температуры дыма и воздуха
tд = (1647 + 250)/2 = 948.5°С; tB = (1350 + 200)/2 = 775°C.
Средние температуры верха и низа насадки в дымовом и воздушном периоде и за весь цикл
tдверх = (1647+948,5)/2 = 1298°С; tдниз = (948,5+ 250)/2 = 599°С;
tвверх = (1350+775)/2 = 1062,5°С; tдниз = (775+ 200)/2 = 487,5°С;
tверх = (1298 + 1062,5)/2=1180°С; tниз =(599+487,5)/2 = 543°С.
Находим коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.
Для определения коэффициента конвективной теплоотдачи воспользуемся графиком Nu = f(Re) (для насадки из блочного кирпича с вертикальными выступами и горизонтальными проходами).
Принимая, что воздуходувка подает воздух под давлением р=354,5 кПа, найдем действительную скорость воздуха по формуле
wв = wв0Тв /Т0 ×(р0/р)
где р0= 101,3 кПа и Т0 =273 К.
Действительная скорость дыма wд = wд0Тд /Т0, м/с.
Заимствуя значения коэффициентов теплопроводности lв и кинематических коэффициентов вязкости nв воздуха из приложения, необходимо учесть, что вязкость газов обратно пропорциональна давлению. Поэтому заимствованные из приложения значения вязкости необходимо разделить на 354,5/101,3=3,5.
Коэффициент теплоотдачи излучением находим по графику с учетом поправочного коэффициента. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Теплофизические параметры кирпича насадки определяем по формулам, заимствованным из приложения
Динас Шамот
ср, кДж/(кг×К) 0,87+0,193t 0,865+0,2t
l, Вт/(м×К) 1,58+0,00038×t 1,04+0,00015×t
Для выбранного типа насадки
f1 = 38,1 м2/м3; f2 = 0,2925 м2/м2 и v = 0,7 м3/м3.
Таблица 1.
Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки
|
Расчетная формула, источник |
Beрх |
низ | ||
Параметр |
дым |
воздух |
дым |
воздух | |
Средние за период температуры дыма и воздуха, °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
см. текст |
1298 |
1062,5 |
599 |
487,5 | |
Коэффициент теплопроводности l× 102, Вт/(м×К) |
Приложения III и IV |
|
|
|
|
|
|
|
| ||
13,58 |
8,52 |
7,54 |
5,85 | ||
Кинематический коэффициент вязкости n×106 м2/с |
» |
245,0 |
56,8 |
93,6 |
22,3 |
Определяющий диаметр канала, d м |
Табл. |
0,031 |
0,031 |
0,031 |
0,031 |
Действительная скорость дыма и воздуха, м/с |
См. текст |
11,35 |
10,05 |
6,45 |
5,7 |
Критерий Рейнольдса |
Re = wd/v |
1440 |
5490 |
2130 |
7910 |
Критерий Нуссельта |
Рис. |
9,55 |
39,9 |
15,8 |
52,5 |
Коэффициент теплоотдачи конвекцией aконв, Вт/(м2×К) |
Nu×l/d |
41,4 |
109,0 |
37,8 |
97,5 |
Коэффициент теплоотдачи излучением aизл, Вт/(м2×К) |
Рис. 54 |
18,0 |
- |
5,0 |
- |
Суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К) |
aконв + aизл |
59,4 |
109,0 |
42,8 |
97, 5 |
|
|
|
| ||
Эквивалентную полутолщину кирпича находим по формуле
Sa = v/f1 = 0,7/38,1 = 0,0184 м.
Найденные значения теплофизических параметров сводим в табл. 2.
Поскольку полученные значения коэффициента аккумуляции тепла hк > 1/3 вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать его толщину и можно принять x = 5,1 для низа насадки x=2,3 для верха.
Таблица 2.
Теплофизические параметры материала насадки
Параметр |
Расчетная формула |
Верх (динас) |
Низ (шамот) |
Средняя температура насадки, °С |
См. текст |
1180 |
543 |
Объемная плотность r, кг/м3 ..... |
|
2000 |
2025 |
Коэффициент теплопроводности, l Вт/(м×К) |
» |
1,935 |
1,123 |
Теплоемкость, ср, кДж/(кг×К) |
» |
1,329 |
1,093 |
Коэффициент температуропроводности, а, м2/с |
l/ср×r |
7,279×10-7 |
5,07×10-4 |
Критерий Фурье Foå |
а×tå/S2э |
22,0 |
14,7 |
Коэффициент аккумуляции hк |
Формула (126) |
0,942 |
0,911 |
Теперь можно найти значения суммарных коэффициентов теплоотдачи от дыма к воздуху: для верха насадки
cверх = 1/(1000/59,4×7200 + 1/3×0,0184×1000/1,935×(1/7200 + 1/2520) + 1/0,0184×2000×1,329×2,3) + 1000/109×2520) = 60,04 кДж/(м2×К),
для низа насадки
cниз = 1/(1000/42,8×7200 + 1/3×0,0184×1000/1,123×(1/7200 + 1/2520) + 1/0,0184×2025×1,093×5,1) + 1000/97,5×2520) = 66,5 кДж/(м2×К),
Средний для всей насадки
c = 0,5 (cверх + cниз) = 0,5 (66,5 + 60,04) = 63,27 кДж/(м2×К).
Поверхность нагрева находим по формуле
F = 368×106 / 63,27×136,5 = 42610 м2.
Объем насадки
V = 42610/38,1 =1118 м3.
Площадь поперечного сечения в свету
w = 80812/3600×2,0 = 11,22 м2.
Общая площадь поперечного сечения насадки
W = 11,22/0,2975 = 37,7 м2.
Высота насадки Н =V/W = 1118/37,7 = 29,6 м.
Уточняем изменение температуры воздуха за время воздушного цикла. При Vв = 95 м3/с водяной эквивалент (теплоемкость) потока воздуха равна
Wв = Vв×(iкв - iнв)/(tкв - tнв) = 95×(1800-262)/(1350-200) = 127 кВт/К,
Теплоемкость насадки
Cн = с×r×F×Sэ = (1,323+1.093)/2 × (2000+2025)/2 ×42610×0,0184 = 2,18×106 кДж/К.
При Vд = 80812 м3/ч (22.44 м3/с) теплоемкость (водяной эквивалент) потока продуктов сгорания
Wд = Vд×(iкд - iнд)/(tкд - tнд) = 22,44×(2760-362)/(1647-250) = 38,52 кВт/К,
Wв×tв/ Wд×tд = 127×0,7/38,52×2,0 = 1,15,
c×F/( Wв×tв) = 62.27×42610/(127×0.7×3600) = 8.29
По графику на рис. находим значение коэффициента mв=1,65 и рассчитываем значение условной постоянной времени воздушного периода
Тв = 1/(0,82× Wв×h× mв / c×r×F×Sэ + 324/tв) = 1/(0,82×127×1,0×1,65 / 2,18×106 + 324/2520) = 10440 с (2,9 ч).
Находим изменение температуры дутья за время воздушного цикла
Dt”в = 0,5(1350 – 200)/(2,9 – 0,5/2) = 175 К.
коэффициент стройности насадки
Кстр = Н/(W)0,5 = 29,6/(37,7)0,5 = 4,82
Определим оптимальное время между перекидками клапанов:
tд = (2,5× с×r×F×Sэ×tп / Wд×h)0.5 - tп = (2,5× 2,18×106× 360 / 38,52 ×1)0.5 – 360 = 6776 с (1,88 ч)
Литература
1. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2 М.: Металлургия, 1986, 376 с.
2. Воскобойников В.Г. Основы металлургического производства. М.: Металлургия, 2000. – 768 с.
3. В.С. Кудрявцев. Конспект лекций на тему «Новые металлургические технологии» Старый Оскол, 1997. 80 с.
