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
1 Устройство вагранки
2 Характеристика вагранки
3 Тепловой расчет коксогазовой
вагранки
3.1 Расчет горения топлива
3.1.1 Полное горение природного
газа
3.1.2 Полное горение кокса
3.2 Расход природного газа
4 Материальный баланс вагранки
5 Тепловой баланс плавки
6 Расчёт размеров вагранки
7 Список использованной литературы
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;
С2 =С2Н4 . 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(м3/м3)
Теоретически необходимый расход воздуха
V0 = + K
где K = = = 3,76
V0 = + 3,76 = 9,09 (м3/м3)
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(м3/м3)
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(м3/м3)
= 0,01 + n . K . ,
где - азот топлива;
n . K . - азот воздуха
= 0,01 . 4,41 + 1,15 . 3,76 . 1,91 = 8,3(м3/м3)
= (n - 1) .
= (1,15 - 1) . 1,91 = 0,3(м3/м3)
Состав продуктов горения
Vn = 1,02 + 2,09 + 8,3 + 0,3 = 11,71(м3/м3)
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-УН)Ср + 0,375 . Sp] + 0,0445 . УН . Ср + 0,265 . Нр - 0,033Op(м3/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-УН)Ср + 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 В2К = 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) = 9,19м3/м3
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 м3/м3
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 м3/м3 в том числе
= 1,02 м3/м3
При неполном сгорании объема будет больше за счет реакции восстановления
0,08 11,17 = 0,94 м3/м3
Vr 11,71 + = 12,18 м3/м3
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
Qxн = 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/ч
Расход воздуха на вагранку будет
Vв = Вк Vвк + Впр.г. Vв = 3139,34 6,4 + 1520 10,57 = 16086 м3/ч
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.