Тепловой расчет вагранки

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

Задание

Рассчитать коксогазовую вагранку.

Таблица 1 - Исходные данные

Вариант

Cостав металлошихты, %

Состав сухого природного газа, %

C

SI

Mn

S

P

Cr

Ni

Fe

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

CO2

N2

7

2,75

2,7

0,7

0,06

0,09

0,3

0,2

93,2

87

2

1,2

0,65

0,25

4,7

1,2


 

Таблица 2 - Исходные данные

Вариант

Содержание компонентов кокса, %

Угар при плавке, %

Пригар при плавке, %

В горючей массе

В рабочей массе

C

H

O

N

S

Ap

Wp

Si

Mn

Fe

C

S

7

97.43

0.67

0.32

1.18

0.4

11.1

2.6

15

20

0,5

20

50


 

Таблица 3 - Исходные данные

Вариант

Производительность вагранки, т/ч

Температура воздуха, oC

Влагосодержание, г/м3

Коэффициент расхода воздуха n

Воздуха dв

Газа dг

7

22

455

15

9

1,15


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                               5

1 Устройство вагранки                                                                                         6

2 Характеристика вагранки                                                                                 7

3 Тепловой расчет коксогазовой вагранки                                                       10

3.1 Расчет горения топлива                                                                                10

3.1.1 Полное горение природного газа                                                              10

3.1.2 Полное горение кокса                                                                                12

3.2 Расход природного газа                                                                                15

4 Материальный баланс вагранки                                                                     20

5 Тепловой баланс плавки                                                                                   23

6 Расчёт размеров вагранки                                                                                25

7 Список использованной литературы                                                             27

 

 

Введение

 

В металлургии и машиностроении, при производстве строительных материалов и во многих других отраслях промышленности одним из основных видов оборудования являются печи - агрегаты , в которых осуществляется тепловая обработка различных металлов. Во многих производствах качество работы печей определяет качество готовой продукции. Печи являются весьма энергоемким оборудованием, потребляющим значительное количество твердого ( кокса), газообразного и жидкого топлива, а также электроэнергии.

При обработке кускового материала обычно применяют печи, работающие по слоевому режиму (шахтные печи, вагранки). Вагранка еще длительный период останется в чугунолитейном производстве главнейшим плавильным агрегатом, так как конструкция ее проста, а КПД выше, чем у пламенной печи; увеличение объема литейного производства с одновременным повышением качества требует усовершенствования печного оборудования. Перспективными являются создание и внедрение вагранок с все большей  производительностью, закрытого типа с горячим дутьем, напорными сифонами, использованием теплоты отходящих газов и очисткой ваграночных газов, выбрасываемых в атмосферу.

 

 

 

1 Устройство вагранки

 

Вагранка представляет собой цилиндрическую шахту, состоящую из стального кожуха, футерованного внутри огнеупорным кирпичом толщиной 0,15 - 0,3 м и засыпкой. Шихтовые материалы (чугун, кокс, и др.) загружают сверху через загрузочное окно при помощи бадьи с откидным дном. Воздушное дутье подают через фурмы в нижнюю часть печи; в крупных ,вагранках они размещены в два - три ряда, по три - четыре фурмы в ряду. Внизу шахта закрывается откидным днищем, на которое набивается из огнеупорного порошка подина. Часть шахты между фурмами и подиной называется горном. Расплавленный чугун и шлак стекают в горн и далее в копильник  (где происходит усреднение химического состава чугуна), откуда переодически или непрерывно выпускаются через отверстия ( летки). Шахта  в верхней своей части (выше колошникового отверстия) переходит в футерованную трубу снабжённую искрогасителем в потоке газов. В современных вагранках для увеличения срока службы футеровки применяют наружное водяное охлаждение.

Высота вагранки (до загрузочного окна) 3 - 10 м, внутренний диаметр 700 - 2500 мм, производительность до 30 т чугуна в час.

Металлическая часть шихты состоит из литейного и предельного чугуна , возврата собственного производства, стального скрапа, добавок ферросплавов и т. д. Основное топливо - литейный кокс с пониженным содержанием серы, которая при плавке частично переходит в метал. В качестве флюса обычно используют известняк.

Перед началом работы в нижнюю часть вагранки до уровня 600 - 800 мм выше фурм загружают кокс и разжигают его ,образуя так называемую холостую колошу. Она необходима для того, чтобы чугун и другие материалы расплавлялись в плавильном поясе - зоне наиболее высоких температур, несколько выше пояса фурм; куски нерасплавившегося чугуна, опускаясь в горн, вызывали бы его охлаждение.

На холостую колошу поочерёдно загружают порции проплавляемого металла, кокса и известняка до загрузочного окна. По ходу плавки, по мере опускания шихтовых материалов, проводят их дальнейшую систематическую загрузку.

При переплавлении чугуна в вагранке содержание углерода и фосфора в чугуне практически не изменяется, кремний выгорает на 10 -15 %, марганец - на 15 -20%, содержание серы увеличивается на 30 -50 % за счет кокса. Для получения чугуна нужного состава проводят расчет шихты с учетом этих изменений.

За последние годы плавка чугуна в вагранках была значительно усовершенствована. Все шире применяют вагранки более совершенной конструкции - с шахтой конусного профиля, водоохлаждаемой плавильной зоной без футеровки, разделением чугуна и шлака при помощи специальных сифонов и т. д. Вместо холодного дутья применяют горячее дутье с обогащением воздуха кислородом. Это позволяет интенсифицировать процессы плавки, повысить производительность вагранок до 80 - 100 т/ч, снизить расход дорогого и дефицитного кокса. Значительно повышается  и качество отливок благодаря получению более «горячего» чугуна (1450 -1500 С).

 

2 Характеристика вагранки

 

Вагранки, использующие в качестве топлива кокс и газ, называют коксогазовыми.

При частичной замене кокса природным газом схема процесса плавки чугуна и конструкция вагранки изменяются немного. Вагранка (рис. 35) имеет один ряд фурм 7, площадь которых составляет 8--10% площади сечения шахты, фурменную коробку 5, разделенную вертикальной перегородкой на две камеры для раздельной подачи воздуха в фурмы и газовые горелки 1, расположенные на расстоянии 900 мм от оси фурм.

Коллектор предусмотрен для подачи природного газа в горелки.

Исследования состава газов у выхода их из тоннелей вагранки производительностью 10 т/ч при соотношении расходов природного газа и воздуха 1/10 показали, что происходит полное сгорание их и что газы содержат 9,5% С02, 3,7% 02, 0,06% СО и 86,74% N2. Кроме того, в результате сгорания метана и тяжелых углеводородов газы содержат около 20% Н20. Количество влаги, поступающее в вагранку с воздухом через фурмы, составило 70 кг/ч, с продуктами горения природного газа -- 580 кг/ч.

Реакция взаимодействия Н20 с СО в верхней зоне холостой колоши увеличивает содержание водорода в отходящих газах коксогазовых вагранок до 2,5--4%.

С увеличением расхода природного газа производительность вагранки, температура чугуна и содержание СО в отходящих газах повышаются до некоторого максимального значения, а затем снижаются. Максимальные значения температуры металла, производительности вагранки и содержания СО находятся соответственно в одних и тех же оптимальных пределах расхода газа (20--25 м3 на 1 т выплавленного чугуна).

Полученные данные можно объяснить следующим. В коксогазовых вагранках обычно уменьшается расход кокса на 25--35%, соответственно уменьшается количество воздуха, поступающего в фурмы. Это снижает максимальную температуру в зоне холостой колоши tmax. Вследствие поступления в вагранку продуктов сгорания природного газа изменяется кривая распределения температур по ее высоте и удлиняется зона высоких температур (рис. 41).

В результате увеличения количества сжигаемого газа и повышения температуры на уровне расположения горелок и в зоне подогрева шихты зона плавления металла перемещается выше, путь капель металла по раскаленному коксу удлиняется и количество теплоты, передаваемой жидкому металлу, увеличивается. Это до определенного предела повышает температуру перегрева чугуна, компенсируя отрицательное влияние снижения tmax, Кроме того, в вагранке создаются благоприятные условия для развития эндотермических реакций разложения Н20 и восстановления СО 2 из продуктов горения кокса и газа. Повышение расхода углерода кокса на эти реакции способствует более быстрому сходу колош и росту производительности вагранки.

При дальнейшем увеличении расхода газа сверх оптимального наряду с повышением температуры начинают существенно сказываться аэродинамические факторы. Напор газовых потоков начинает значительно затруднять отрыв капель чугуна от поверхности кусков шихты, снижая производительность вагранки. Движение капель малого объема вниз затрудняется, а укрупнение капель уменьшает их удельную поверхность и ухудшает условия теплообмена между каплей и окружающей средой. Газы покидают зону перегрева чугуна, отдав меньше теплоты, в результате температура чугуна понижается, а удлинение пути капли по кускам кокса не компенсирует ухудшения условий теплообмена.

Содержание углерода, а также угар кремния и марганца практически не изменяются по сравнению с коксовыми вагранками. Несколько увеличивается содержание водорода в чугуне в связи с увеличением его содержания в ваграночных газах. Однако практика показывает, что это не влияет на качество литья.

Частичная замена кокса природным газом дает следующие преимущества:

Расход кокса на рабочие колоши уменьшается на 25--35% при работе с оптимальным расходом газа, уменьшается расход флюса.

Удельная производительность вагранки увеличивается на 10--20%.

Содержание серы в чугуне уменьшается на 0,02--0,03%.

Общее количество шлака уменьшается, а также снижается расход теплоты на шлакообразование.

К недостаткам следует отнести необходимость наблюдения за газогорелочными устройствами, согласно правилам Гостехнадзора, и некоторое усложнение системы автоматического регулирования.

 

3. Тепловой расчет коксогазовой вагранки

 Расчет горения топлива

3.1.1 Полное горение природного газа

Определение теплоты сгорания топлива коэффициент перерасчета сухого газа на влажный.

Xвл = Xc  . Ko = X , где W = dr = 9 г/м3

Kn = =0,9889

= СН4 . Kn = 87 . 0,9889 = 86,03;

С22Н4 . Kn = 2 . 0,9889 = 1,98;

С3 = С3Н8 . Kn = 1,2 . 0,9889 = 1,17;

С4 = С4Н10 . Kn = 0,65 . 0,9889 = 0,64;

С5 = С5Н12 . Kn = 0,25 . 0,9889 = 0,25;

С = . Kn = 4,7 . 0,9889 = 4,65;

= . Kn = 1,2 . 0,9889 = 1,19;

     + С2 + С3 + С4 + С5 + С + + Н2 = 86,03 + 1,98 + 1,17 + 0,64 + 0,25 + 4,65 + 1,19 + 0,87 = 96,78%

Т.к. общий % влажного газа должен быть равен 100%, добавим 3,22% = 1,19 + 3,22 = 4,41 (%).

Низшая теплота сгорания характеризует количество теплоты, содержащийся в продуктах сгорания, когда влага находиться в парообразном состоянии.

Низкая теплота сгорания топлива

= 12,7СО + 108Н2 + 358 СН4 +590С2Н4 + 555С2Н2 + 636 С2Н6 + 913 С3Н8 + 1185 С4Н10 + 1465 С5Н12 + 234 Н2S;

= 358 + 86,03 +636 . 1,98 + 913 . 1,17 + 1185 . 0,64 + 1465 . 0,25 = 34250,88(кДж/м3).

 

Определение теоретически необходимого и действительного расхода воздуха для сжигания газа.

Теоретически необходимый расход кислорода для горения единицы топлива.

VO2 = 0.01[(0,5CO + H2 + 3H2S) + (m + h/4) CmHh)]

VO2 = 0,01[2 . 86,03 + 3,5 . 1,98 + 5 . 1,17 + 6,5 . 0,64 + 8 . 0,25) = 0,01(172,06 + 6,93 + 5,85 + 4,16 + 2) = 1,91(м33)

Теоретически необходимый расход воздуха

V0 = + K

где K = = = 3,76

V0 = + 3,76 = 9,09 (м33)

Коэффициент расхода воздуха

n = /V0 = 1,02 - 1,15

n = 1,15 по заданию.

Фактический расход воздуха

Ln = V0 . n

Ln = 9,09 . 1,15 = 10,454(м33)

Определение выхода продуктов полного горения, их состава и плотности.

Объем влажных продуктов горения:

Vn = +  +  + 

где = 0,01 (CO2 + SO2 + CO + H2S + ∑mCmHn);

  = 0,01(4,66 + 86,03 + 2 . 1,98 + 3 . 1,98 + 4 . 1,71 + 5 . 0,64 + 6 . 0,25) + 0,001244 . 15 . 10,454 = 2,09(м33)

= 0,01 + n . K . ,

где - азот топлива;

n . K .   - азот воздуха

= 0,01 . 4,41 + 1,15 . 3,76 . 1,91 = 8,3(м33)

= (n - 1) .

= (1,15 - 1) . 1,91 = 0,3(м33)

Состав продуктов горения

Vn = 1,02 + 2,09 + 8,3 + 0,3 = 11,71(м33)

RO2 = 100;

RO2 = 100 = 8,72%

H2O = 100 = 100 = 17,86%

N2 = 100 = 100 = 70,9%

= = = 2,56%

RO2 + H2O + N2 + = 100%

8,72 + 17,86 + 70,9 + 2,56 = 100%

 

3.1.2. Полное горение кокса

Данные для расчета

Сс

Hc

Oc

Nc

Sc

Ap

Wp

97,43

0,67

0,32

1,18

0,4

11,1

2,6


 

Пересчитаем сухую массу на рабочую по формуле

Xp = Xc .

где  = 97,43 . = 94,89

Коэффициент перерасчета сухой массы на рабочую

Ср = Сс .

Нр = Hc . = 0,67 . = 0,65;

Ор = Оc . = 0,32 . = 0,31;

Nр = Nc . = 1,18 . = 1,15;

Sр = Sc . = 0,4 . = 0,39;

Низшая теплота сгорания для твердого топлива определяется по формуле Д.И. Менделеева.

= 339,1 . Ср + 1256  . Нр + 108,9 Sp - 108,9 . Oр = 25(Wp + 9Hp)

= 339,1 . 94,89 + 1256  . 0,31 + 108,9 . 0,39 - 108,9 . 0,31 - 25 . (2,6 + 9 . 0,65) = 32364,019(кДж/кг)

Определение теоретически необходимого и действительного расхода воздуха.

Теоретически необходимый расход кислорода для горения единицы топлива.

 = 0,01 . (1,876Ср + 5,6Нр + 0,7Sp - 0,7Ор)

 = 0,01 . (1,876 . 97,43 + 5,6 . 0,67 + 0,7 . 0,4 - 0,7 . 0,32) = 1,86 м3/кг

Теоретически необходимый расход воздуха

L0 = 4,76 . = 4,76 . 1,86 = 8,85 (м3/кг)

Коэффициент расхода воздуха для кускового топлива n = 1,25 - 1,7, возьмем 1,5.

Коэффициент расхода воздуха n =

= . n = n(1+K) . (1+0,001244 /db/)      K= 3,76

= . 1,5(1 + 3,76) .1,86(1 + 0,001244 . 15) = 13,49 (м3/кг)

Определение выхода продуктов полного горения, их состава и плотности.

= 0,01(1,867 . Cp . 0,7 .Sp)

= 0,01(1,867 . 94,89 + 0,7 . 0,39) = 1,77(м3/кг)

= 0,01(Нр + 1,244 . Wp) + 0,001244/db  . Ln

= 0,01(0,65 + 1,244 . 2,6) + 0,001244 . 15 . 13,5 = 0,29(м3/кг)

= 0,008 . Np + n . k . , где   0,008 . Np - азот топлива;

n . k . - азот воздуха

= 0,008 . 1,15 + 1,5 . 3,76 . 1,86 = 10,4(м3/кг)

= (n - 1)

= (1,15 - 1)1,86 = 0,93(м3/кг)

Объем влажных продуктов горения

Vn = + + +

Vn = 1,86 + 0,29 + 10,4 + 0,93 = 13,48(м3/кг)

Свободный воздух в продуктах горения

VL = 100;

VL = 100 = 34,4%

= 100;

= 100 = 13,8%

H2O = 100 = 2,15%

N2 = 100 = 77,15%

=

+ H2O + N2 + = 13,8 + 2,15 + 77,15 + 6,7 = 100%

 

 

 

 

3.2 Расход природного газа

Удельный расход топлива определим по формуле

В =   где

Qтехн - расход топлива на технологический процесс;

КИТ - коэффициент использования топлива.

Удельный расход кокса при работе вагранки без подогрева  воздуха В1 = 115кг на 1 тонну чугуна. При сжигании кокса в горячем воздухе он будет в вагранке имеет место неполное сгорание кокса, часть углерода сгорает с образованием углекислоты СО2. Если считать, что часть углерода в количестве УН сгорает в СО, то остальная часть (1 - УН) сгорает в СО2. Тогда при содержании в коксе Ер = 9489%, Нр = 0,65%, Np = 1,15%, Sp = 0,39%, Op = 0,31% расход воздуха на сгорании 1 кг кокса составит:

VB = 0,0889[(1-УНр + 0,375 . Sp] + 0,0445 . УН . Ср + 0,265 . Нр - 0,033Op3/кг)

В расчете примем относительно высокое значение УН = 0,25. Тогда

VB = 0,0889[(1-0,25)94,89 + 0,375 . 0,39] + 0,0445 . 0,25 . 94,89 + 0,265 . 0,65 - 0,033 . 0,31 = 6,4(м3/кг)

Объем сухих трехатомных газов:

= 0,0187[(1-УНр + 0,375 . Sp]

= 0,0187[(1-0,25)94,89 + 0,375 . 0,39] = 1,33(м3/кг)

Объем окиси углерода

VCO = 0,0187 . УН . Ср = 0,0187. 0,25 . 94,89 = 0,444

Объем азота: N2 = 3,76 . VB . 0,8 = 3,76 . 6,4 . 0,8 =24,1(м3/кг)

 

Объем водяных паров:

= 0,111 . Нр + 0,0124 . Wp + 0,0161 . VB;

= 0,111 . 0,65 + 0,0124 . 2,6 + 0,0161 . 6,4 = 0,204(м3/кг)

Общее количество газов: Vr = 1,33 + 0,444 + 24,1 + 0,204 = 26,1(м3/кг)

Состав продуктов сгорания

= 100 = 100 = 5,095%

= 100 = 100 = 0,78%

= 100 = 100 = 92,3%

CO = 100 = 100 = 1,7%

∑ = + + + CO = 5,095 + 0,78 + 92,3 + 1,7 = 99,9% 100%

меньше и его можно определить из указанной формулы, считая низменным числитель Qтехн + Qр

В2 = В1 ,  В2 = 115 98,7 кг/Т

где В1 и В2 - удельные расходы кокса при работе вагранки на холодном воздухе и на горячем дутье (соответственно) КИТ1 и КИТ2 - соответствующие коэффициенты использования топлива при работе без  подогрева воздуха и на горячем дутье.

Коэффициент использования кокса при работе на воздухе без подогрева

КИТ1 = 1+ -

КИТ1 = 1+ - = 1+0,0077 - 0,336 = 0,67;

где  - энтальпий кокса; = 0;

      - энтальпий воздуха;

= VB . CB . tB = 13,49 . 1,3. 30 = 249,6 кДж/кг

- потеря химического недожога

= VCO . QCO = 0,444 12700 = 5,63 103 кДж/кг или 100 = 17,4%

= энтальпий отходящих газов  при Т1 = 400 ;

= (Ссо ;

=(1,344 = 5072,352

- потеря тепла от механического недожога

  0,005 = 0,005 32364,019 = 161,82 кДж/кг

Аналогично определяется коэффициент использования кокса при горячем воздухе (Тв = 400о - 455 )

Энтальпий воздуха Jв =6,4 1,3 455 = 3785,6 кДж/кг

Потеря тепла с отходящими газами будет больше вследствие более высокой температуры от холодных газов Т2 =500

Qут =(1,344 500 0,0552 + 2,0453 500 1,1663 + 1,5831 500 0,0353 + 1,3294 500 0,7432 + 2,0453 500 0,1663) 26,1 = 4996,42 кДж/кг

Потеря q2хн будет также больше, вследствие более глубокого восстановления СО2 в СО по 10%

q2хн = 5742,6 кДж/кг

тогда КИТ2 = 1+ - = 1 + 0,11 - 0,33 = 0,78

удельный расход кокса при горячем дутье В = 115 = 98,78 кг/ч

Экономия кокса ΔВ = 100% = 14,1%

Производительность вагранки увеличится по опытным данным примерно на 20 - 25% и составит Q = 26000 1,2 = 31200 кг/ч

Заменяем 40% кокса (при работе на горячем дутье) или В2к

31,2 100 0,4 = 1609,92 кг/ч

Примем объемный состав сухого природного газа

СО2 = 4,7%; СН4 = 87%; С2Н6 = 2%; С3Н8 = 1,2%; С4Н10 = 0,65%; С5Н12 = 0,25%; N2 = 1,2%; итого = 97%

Теоретически необходимое количество воздуха

Vo = 0,0476(2СН4 + 3,5С2Н6 +5С3Н8 +6,5С4Н10 + 8С5Н12) = 0,0476(2 87 + 3,5 2 + 5 1,2 + 6,5 0,65 + 8 0,25) = 9,19м33

При расчете горения природного газа учитываем, что имеет место реакции глубокого восстановления

СО2 + С → 2СО - 38790 ккал/моль, поэтому будем считать содержание окиси углерода в отходящих газах СО = 8%. Этому соответствует коэффициент расхода воздуха 1,05 - 1,08;

Расход воздуха на горелку берем d = 1,15, тогда

Vв =1,15 9,19 =10,57 м33

Избыточный воздух, участвуя в горении природного газа в форкамере, в дальнейшем используется для горения кокса  и продуктов газификации.

Объем продуктов при полном сгорании = 11,71 м33 в том числе

= 1,02 м33

При неполном сгорании объема будет больше за счет реакции восстановления

  0,08 11,17 = 0,94 м33

Vr 11,71 + = 12,18 м33

Определяем коэффициент использования природного газа при сгорании с горячим воздухом.

КИТпг = 1+ - , где

JT = CT TT = 1,7138 30 = 51,4 кДж/м3

JB = VB CB TB = 10,57 1,34 4,55 = 6444,53 кДж/м3

Q = Vсо . Qсо = 0,94 . 12700 = 11938 кДж/м3

Jуг = Vуг Суг  tуг = 12,18  1,45882 500 = 8884,58 кДж/м3

КИТпг = 1+ - = 1+ 0,2 - 0,64 = 0,56

Расход природного газа определим по формуле

Впг = Вк

Впг = 1609,92 - = 1609,92 20,10 - 1,32 = 1520 м3

Расход воздуха на вагранку будет

Vв = Вк Vвк + Впр.г. Vв = 3139,34 6,4 + 1520 10,57 = 16086 м3

где расход кокса Вк = 31,2 0,78 129 = 3139,34 кг/ч

 

 

 

4. Материальный баланс вагранки

 

Статьи прихода:

Шихта. Колличество металлической шихты принимаем равной 100кг.

В процессе плавки весь углерод, сера, фосфор, хром и никель полностью перейдут в выплавляемый металл. Часть кремния 2,7×0,15=0,4кг перейдёт в шлак, а 2,7-0,4=2,3 кг - в выплавляемый металл.

Марганец переходит в шлак: 0,7*0,2=0,14кг, в металл 0,7-0,14=0,56 кг.

Железо переходит в шлак: 93,2*0,005=0,47кг, в металл 93,2-0,47=92,73кг.

Количество кислорода для окисления элементов определяют по реакциям; например, окисление кремния происходит по реакции

SI +O2=SIO2. Из реакции видно, что для окисления 1 моля SI требуется 1 моль О2, а для окисления 0,4 кг кремния  - 0,46кг кислорода, так как масса 1 моля SI = 28кг, а 1 моля О2 = 32кг

2. Кокс. Учитывая подогрев воздуха до температуры 455С, принимаем расход кокса равным 10% массы металлургической шихты, т.е.