Тепловые расчеты агрегатов с вращающимися печами

    Исходные данные для расчета принимаются в соответствии с заданием на проектирование.При необходимости используются данные и зависимости, приведенные в Приложении либо литературном источнике, что оговаривается в примере расчета. Значения теплоемкостей материалов и тепловых эффектов превращений принимаются по табл. П10, П11, теплоемкостей газов - по данным [6]. Все остальные данные и зависимости можно принимать такими же, как в соответствующем примере расчета.

   Все примеры расчета приведены для обжига цементного клинкера.

   3.1. Пример теплового расчета печного агрегата

   Расчет осуществляется для печного агрегата с теплообменной конвейерной решеткой и колосниковым холодильником в соответствии с его схемой (рис.3.1). Особенности при расчете печного агрегата с циклонным теплообменником указаны с пометкой "ц", работающего по мокрому способу с пометкой "м", для обжига извести, глины на шамот, титанатных спеков, доломита (магнезита) - с пометками " и, ш, с, д" соответственно.

   Обозначения по схеме:

   xт - затраты топлива, м3/кгм (кг/кгм ) 

   Объем, м3/кгм: в 

   V_охл - охлаждающего воздуха;

   V^в_перв - первичного воздуха;

   V^в_втор - вторичного воздуха;

   V^в_сбр - сбросного воздуха;

   V^в_подс - воздуха,подсасываемого в горячем конце печи;

   V^в_подс.т              - воздуха, подсасываемого в теплообменник;      

V^пт-г_г    - газов, поступающих из печи в теплообменник;                                        V_о.г              - отходящих газов;                                                                                                                    V^пг_ά·xт           - продуктов горения топлива;                                                                                            V^с_СО2     - СО2, образующегося при декарбонизации сырья.

   Масса, кг/кгм:

   G_вл.с - влажного сырья;

   G_м     - обоженного материала;

   G^п_пу   - уноса из печи;

   G_пу   - безвозвратного уноса(ц:уноса из теплообменника)

   G_возвр   - уноса, возвращаемого в печь(ц:возврата уноса в в печь нет);

   G^т-п_м      - материала,поступающего из теплообменника в печь

   Исходные данные для расчета:

   Производительность агрегата по клинкеру Рч = 110 т/ч.

   Состав газообразного топлива и его температура tт = 15 оC

   Состав клинкера, мас.доли, %: SiO₂ - 22,90;  Al₂O₃ - 5,70;  Fe₂O₃ - 4,15;             СaO - 65,45; MgO - 1,30; SO₃ - 0,50          (S = 22,90 и т.д.).

   Содержание компонентов в сухом сырье (мас.доли), %:

          CaO^с  = 42,25;  MgO^с  = 0,75;  СО₂^с = 34,00;  H₂Oг = 1,20.

   Масса сухой сырьевой шихты, дополнительно вводимой для компенсации пылеуноса: ПУ = 1 % от массы сухого сырья.

   Начальная влажность сырья W_н = 15 %.

   Объемная доля первичного, вторичного воздуха и подсоса

   в горячем конце печи: Δ^в_перв= 0,30; Δ^в_втор= 0,65; Δ^в_подс= 0,05

   Температура:

   сырьевой шихты   t_с = 20 ^оС,

   возвратного уноса         t_возвр =  200 ^оС,

   отходящих газов t_о.г = 100 ^оС,

   окружающего воздуха   t^в  = 20 ^оС,

   материала, выходящего из печи  t^п-х_м  = 1200 ^оС,

   Максимальная температура материала в печи t ^max _м =1500 ^оС

   Насыпная плотность обожженного материала ρ_м = 1500 кг/м3

   Эквивалентный диаметр куска материала на теплообменной

   решетке и в холодильнике d ^т_э = d_э = 10 мм.

   Примечания

   1. При расчете тепловых балансов теплосодержание пыли, уносимой газовыми потоками из холодильника, а также материала, компенсирующего унос пыли вторичным воздухом, не рассматривается. Считаем, что оно учитывается величиной потерь холодильника в окружающее пространство и неучтенных потерь в печи. Пример расчета с его учетом см. в п.3.4.9.

   2. Принято, что пылеунос лишен гидратной влаги. Затраты теплоты на дегидратацию безвозвратного уноса в совместном тепловом балансе печи и теплообменника, а также теплового агрегата в целом считаем включенными  в неучтенные потери (ц: пылеунос из теплообменника не дегидратирован).

   3.Принято, что декарбонизация безвозвратного пылеуноса происходит в печи, а bт относится к теоретически необходимому количеству сухого сырья (ц: bу = 0, возврата уноса в печь нет).

   4. Расчет тепловых эффектов декарбонизации при обжиге клинкера и извести Q^м_о ведется  при допущении, что весь СО₂ в сырье связан с СаО.

   5. Принято, что G^п_пу = G_возвр + G_пу и степень физико-химических превращений пылеуноса из печи, возвращаемого в печь, и безвозвратного одинакова (м: Gпу - масса безвозвратного уноса, ц:  βу = β^пу = 0,3 - 0,6).  

   3.1.1. Расчет процесса горения топлива.

   Выполняется на ЭВМ "Искра - 1256" по методике, изложенной в [6]. Принят коэффициент избытка воздуха длягорения ά^гор = 1,1  [6]. В результате расчета получено:

   V^пг_ά =10,0 м³/мт ,   V^в_ά = 11,0 м³/мт, Q^р_н = 33300 кДж/мт,

   tmin = 47 оС  (обозначения согласно [6]).

   При обжиге титанатных спеков принимать ά^гор = 1,35-1,40

   При использовании пылевидной смеси двух твердых топлив различных составов состав смеси определяется по аддитивности.

   3.1.2. Расчет затрат сырья и выхода продуктов разложения

   1. Теоретические затраты сухого сырья без учета пылеуноса 

    (кг/кг_кл) 

   ПППм - значение потерь при прокаливании обожженного материала,  %  (может учитываться либо не учитываться).

   Для твердого топлива необходимо учитывать присадку золы к материалу. Долю присаживаемой золы Пз принимать в пределах 0,4 - 0,7. Ориентировочное значение затрат топлива хт принимать равным q_уд/Q_н (удельные затраты теплоты на обжиг q_уд - брать по табл. П1, П2 или П3),

   значение А^р_с- по результатам расчета сжигания топлива [6].

   ш: СО^с₂ = 0; Н₂Ог = Г * ПППг/100,

   где Г - мас.доля глины в сухом сырье, %; ПППг - потери при прокаливании глины.

   2. Затраты сухого сырья с учетом пылеуноса 
 

    (кг/кг_кл)

   3. Выход безвозвратно уносимой пыли (ц: пыли, уносимой из теплообменника, при этом

   Gпу = Gсс * ПУ/100; ш: СО^с₂ = 0; в остальных случаях βу = 0,3 - 0,6). 

    (кг/кг_кл)

   4. Выход СО₂ из сырья (ц: βу = 0; СО₂ = 0)

         (кг/кг_кл)                                                                                                  

    (м³/кг_кл) 

   5. Выход гидратной влаги из сырья (с, д, и: Н2Ог = 0)

    (кг/кг_кл) 

   (ц: ) 

    (м³/кг_кл)

    (ш: Н2О = Г * ПППг /104). 

   6. Затраты влажного сырья 

    (кг/кг_кл) 

   7. Выход физической влаги из сырья

    (кг/кг_кл) 

    (м³/кг_кл) 

   8. Выход СО₂ в теплообменнике (при его отсутствии не расчитывается). Степень декарбонизации сырьевых материалов в теплообменнике βт принимать: ц: 0,05-0,10; д: 0,3-0,5; в остальных случаях 0,15-0,25. 
 

    (кг/кг_кл) 

    (м³/кг_кл) 

   9. Масса пыли, возвращаемой в печь (возвратного уноса)      с,ц: не расчитывается. Массу пыли, уносимой из печи, G^п_пу принимать: м: 0,10-0,15 кг/кгм;

   д: 0,35-0,40 кг/кгм; в остальных случаях 0.25-0,30 кг/кгм

   Gвозвр = G^п_пу - Gпу = 0,25 - 0,012 = 0,238 (кг/кг_кл)

   3.1.3. Расчет минерального состава клинкера и теплового эффекта клинкерообразования при 0 оС

   Под минеральным составом клинкера принимается расчетное содержание С3S, С₂S, С₃A, С₄AF, определяемое исходя из его заданного химического состава.   Содержание в клинкере

   СаО, не связанного с SО₃, обозначено С^/ . 

   С^/  = С - 0,7 * SО₃ = 65,45 - 0.7 * 0.5 = 65,10 % 

   C₃S = 4,07 * С^/ - 7,6 * S - 6,72 * А - 1,43 * F = 4,07 * 65,10 - 7,6 * 22,90 - 6,72 * *5,70 - 1,43 * 4,15 = 46,68 % 

   С2S = 8,6 * S - 3,07 * С^/ + 5,1 А + 1,08 * F = 8,6 * 22,90 - 3,07 * 65,10 + 5,1 * 5,70 + 1,08 * 4,15 = 30,64 % 

   С3А = 2,65 * А - 1,69 * F = 2,65 * 5,70 - 1,69 * 4.15 = 8,091 % 

   С4АF = 3,04 * F = 3,04 * 4,15 = 12,62 % 

   Тепловой эффект клинкерообразования равен количеству теплоты, необходимому для того, чтобы из сухого сырья с температурой 0 оС получить без материальных и тепловых потерь 1 кг клинкера с температурой 0 оС. 

   Расход теплоты 
 

   q^р₁ = Gсс * Н₂Ог * q^дег_о/100 = 1,543 * 1,2 * 6870/100 = 127,2 (кДж/кг_кл) 

   2. На декарбонизацию сырьевых материалов 

    (кДж/кг_кл) 

   Если СаО^с , МgО^с   не заданы: 

   где  М_СаО, М_СО2 - молярные массы.

   ГМ = А/F = 5,70/4,15 = 1,373 

   Определяем по значению ГМ интерполяцией:

   q^р₃ = q_ж.ф = 150 (кДж/кг_кл), (см.табл.П11) 

   Приход теплоты 

     q^п₁ = (527 * С₃S + 716 * C₂S + 61 * C₃А + 109 *С₄АF)/100 = (527 * 46,68 + 716 * *30,64 + 61 * 8,09 + 109 * 12,62)/100 = 484 (кДж/кг_кл) 

   q^п₂= 0,5 * qж.ф = 75 (кДж/кг_кл) 

   Q^кл_о = ∑q^р_i - ∑q^п_i = 127,22 + 2107 + 150 - 484- 75 =1825,5 (кДж/кг_кл)  

   3.1.4. Определение размеров печи и потерь теплоты в окружающее пространство

   При необходимости расчетного определения размеров печи пользуются данными, приведенными в Приложении (табл.П1 - П4). При дипломном проектировании, если размеры печи не заданы, подбирают по табл.П1 - П4 или литературе стандартную печь, производительность которой наиболее близка к заданной и превышает ее; аналогичным образом подбирают холодильник [7].

   Если задана годовая производительность печного агрегата, определяют его часовую производительность: 

   Рч = 1000 * Р/(365 * 24 * Кисп) (кг/ч), 

   где Рч - годовая производительность, т;

   Кисп - коэффициент использования (табл.П1)

   По заданному значению Рч =110 т/ч принимаем по опытным данным для печей того же типа и близкой производительности:

   q^н_F = 63 кг/(м² * ч); L/Dнар = 16,0 (табл.П3).

   Площадь наружной боковой поверхности печи (поверхности по корпусу)          

   F^н_s.п = Рч / q^н_F  = 110000/63 = 1746 (м² ) 

   Диаметр печи по корпусу  

     (м ) 

   Аналогичным образом можно определить площадь боковой поверхности и диаметр печи по футеровке F^gн_б.п и Dвн , если задаться значениями поверхностного удельного съема (удельной производительности) q^gн_F   и отношения L/Dвн.

   Можно воспользоваться также значениями объемного удельного  съема  по корпусу или по футеровке q^н_v., тогда объем печи V = Рч/q^н_v.

   Толщину футеровки печей δ принимают равной 0,230 м при Dнар ≥5,2 и 0,200 м - при Dнар < 5,2 м. Можно дополнительно использовать теплоизоляционный слой толщиной до 0,04 м из теплоизоляционных материалов (исключение - зона спекания печей для обжига цементного клинкера). Печи для обжига глины на шамот имеют футеровку из шамота ШЦО толщиной 0,113 м, для мало-габаритных  вращающихся   печей для обжига титанатных спеков (сырье в виде шлама) толщина футеровки из шамота δ = 0,113 м с наружным теплоизоляционным слоем из асбеста толщиной 0,015 м. 

   В нашем случае

   Dнар = 5,89 > 5,2 м; δ = 0,230 м

   Dвн = Dнар - 2 * d = 5,89 - 2 * 0,230 = 5,43 (м) 

   Длина печи

   L = Dнар * (L/Dнар) = 5,89 * 16,0 = 94,3 (м)

   Определим размеры зон печи:

   а) печи для обжига цементного клинкера (зоны перечислены в табл.П5)

   Средняя скорость движения материала в печи

   Wм = 1,88 * Dвн * i * n/sinb (м/ч),

   где i - наклон барабана печи по отношению к горизонтали , %

   i = 3-4 % при Dвн > 3,4 м; i = 4-5 % при Dвн < 3,4 м;

   n - частота вращения печи 1/ч; n = 0,6-1,2 (принимается тем выше, чем меньше значение i)

   β - угол естественного откоса; sin β = 0,78 - 0,87 (зона спекания); sin β = 0,71 - 0,77 (зона охлаждения). 

   Принимаем i = 3,5 %; n = 0,9. 

   Длины зон спекания и охлаждения Lз определяем по необходимому времени пребывания в них материала tз: Lз = t_з * Wм (м),

   где t_з = 0,50 - 0,65 ч (зона спекания); t_з = 0,20 - 0,25 ч (зона охлаждения).

   Для зоны спекания 

    (м/ч) 

   Lспек = 0,50 * 41.3 = 20.6 (м) 

   Для зоны охлаждения 

    (м/ч) 

   Lохл = 0,22 * 44,1 = 9,7 (м) 

   Длины зон декарбонизации и экзотермических реакций

   Lэкз = (0,05 - 0,07)L (мокрый способ);

   Lэкз = (0,12 - 0,15)L (сухой способ)

   Lэкз = 0,14 * 94.3 = 13,2 (м)

   Lдек = L - Lохл - Lспек - Lэкз = 94,3 - 9,7 - 20,6 - 13,2 = 50,8 (м) 

   Для печей с декарбонизатором зоны 1 - 3 отсутствуют; Lэкз = L - Lохл - Lспек

   Для печей мокрого способа ориентировочная длина цепной зоны

   L^/_ц = 0,07 * L * (0,1 * L/Dнар - 1) (м) 

   Суммарная длина первых трех зон цепи без учета L^/_ц

   L^/_1-3 = L - Lохл - Lспек - Lэкз - L^/_ц 

   б) печи для обжига извести, магнезита, доломита, глины на шамот, титанатных спеков:

   Длины зон определяются по данным табл.П6.

   Определение действительной температуры горения топлива

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

   в

   принимаемой согласно табл.П5 равной (tвтор + 100) оС

   i_п.г =  [Q^р_н + V^в_α  * Δ^в_втор * с^в_t * (t_втор + 100)] / V^п.г_α =

   =  [33300 + 10 * 0,65 * 1,371 *(600 + 100)]/11= 3594 (кДж/м³) 

   Энтальпией первичного и подсосанного воздуха при t = 20 оС пренебрегаем. 

   Объемная энтальпия продуктов горения с учетом пирометрического  к.п.д.  процесса горения ηпир = 0.75 [6]:

   i^/_п.г = 3594* 0,75 = 2696 (кДж/м³)

   Действительная температыра горения при α^гор = 1,1 с учетом диссоциации, определенная по i-t диаграмме [8,с.70]

   t_гор = 1770 оС

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

   Среднее значение диаметра печи

   Dср = (Dвн + Dнар)/2 = (5,43+5,89)/2=5.66 (м)

   Средние значения температур внутренней поверхности футеровки по зонам определяются по данным таблицы П5 или П6 (для зоны спекания см. примечание к табл.П5!)

           t^ср_вн = (t^нач_м + t^кон_м + t^нач_г + t^кон_г     )/4,

   при этом температура вторичного воздуха t^в_втор принимается по данным табл.П7. 

   Зона декарбонизации:

   Температура выходящих из печи газов t^п-т_г ориентировочно принята равной 1000 оС.

   t^ср_вн = (800 + 950 + 1000 + 1550)/4 = 1075  (оС)

   Fдек = π * Dср * Lдек = 3,14 * 5,66 * 50,8 = 903 (м²) 

   Зона экзотермических реакций:

   t^ср_вн = (950 + 1300 + 1550 + 1770)/4 = 1393 (оС)

   Fэкз = 3,14 * 5,66 * 13,2 = 235 (м2) 

   Зона спекания:

   t^ср_вн = (1500 + 1770 + 600 + 1800)/4 = 1417 (оС)

   Fспек = 3,14 * 5,66 * 20,6 = 367 (м2) 

   Зона охлаждения:

   t^ср_вн = (1300 + 1200 + 600 + 100 + 600)/4 = 950 (оС)

   Fохл = 3,14 * 5,66 *9,7 = 173 (м²) 

   Материалы футеровки по зонам подбираем по табл.П5 или П6, значение коэффициентов уравнений λ = f(t) - по табл.П8

   Для асбеста λ = 0,157 + 0,221 * 10-3 * t, Вт/(м * оС)

   В результате расчета потерь теплоты и температур корпуса печи на ЭВМ  получаем:

   Определим потери теплоты в зоне спекания при использовании водяного охлаждения. Футеровочный материал - ПШЦ, δ = 230 мм. Температуру внутренней поверхности футеровки вследствие образования обмазки принимаем:

               t_вн   =    t^ср_{вн(спек)} - 100== 1317 оС,

   температуру наружной поверхности t_нар = 300 оС.

   λ_ср = 3,14 - 0,644 * 10^-3 * (t_вн + t_нар)/2 = 3,14 - 0,644 * 10^-3 * (1317 + 300)/2 = 2,62 Вт/(м * оС)

   Q^/_спек = Fспек * (t_вн - t_нар ) * λ_ср/δ = 367* (1317 - 300) * 2.62/0,230 = 4,25 * 10⁶ (Вт) 
 

   Потери теплоты печью

     Q^/_пот = Qдек + Qэкз + Q^/_спек + Qохл = 1,11 * 10⁷ (Вт) или в расчете на 1 кг клинкера: 

   q^пот_огр.п= Qпот* 3,6/Рч= 1,11 *10⁷* 3,6/110000 = 363(кДж/кг_кл)  

   Для печей мокрого способа производства для обжига цементного клинкера к суммарным потерям теплоты на футерованных участках печи добавляем потери в цепной зоне по опытным данным: Qц = 40 кДж/кг  

3.1.5Совместный тепловой баланс вращающейся печи и теплообменника (для вариантов с,м: тепловой баланс печи)

   Составляется на 1 кг готовой продукции (клинкера) с целью определения затрат топлива хт, м³_т/кг_кл (газообразное топливо) или кг_т/кг_кл (твердое или жидкое). Теплоемкости материалов приняты по данным табл.П10,газов - по данным [6].

   Приходные статьи 

1.Потенциальная теплота топлива

   q^п₁ = Q^р_н * хт = 33300 * хт (кДж/кг_кл) 

   2. Теплосодержание топлива

   q₂ = хт * Ст * tт

   Если топливо не подогревается или подогревается до tт < 100 оС, этой статьей пренебрегаем, т.к. она мала по сравнению с другими. В нашем случае tт = 15 оС.   Если tт >100 оС,то для угля ст=1,05; для мазута 2,05 Кдж/(кг оС) 

3.Теплосодержание поступающего воздуха 

   q^п₃ = хт * V^в_α*(С^в_перв* t^в_перв * Δ^в_перв + С^в_втор* t^в_втор*Δ^в_втор+С^в_подс*t^в_подс * Δ^в_подс) + V^в_подс.т * С^в_{подс.т *} t^в_подс.т = хт * 10 * (1,298 * 20 * 0,30 + 1,367 * *600 * 0,65 +1,298 * 20 * 0,05) + 0,2 * 1,298 * 20 = 5422 * хт + 5(кДж/кг_кл) 

   Примечания к статье  q^п₃:

   1) Значение t^в_втор принимать такое же, как и при расчете потерь теплоты через ограждения.

   2) Объем воздуха, подсасываемого в теплообменник  

   V^в_подс.т = (0,1 - 0,3) м³/кгм (м,с: Vподс.т нет!) 

   4.Теплосодержание влажного сырья: 

   t_c=20 оС ; t_c=40-60 оС в случае ц.

   C^ж_H2O=4,19 кДж/кг* оС  

   q^п₄=(Gсс*Ссс+G^ф_Н2О*C^ж_H2O)*t_c=(1,559*0,837+0,275*4,19)*20=49 (кДж/кг_кл) 
 
 
 

   Расходные статьи: 

   1. Затраты теплоты на физико-химические превращния:

   q^р₁ = (расчетное значение Q^кл₀ )

   Если значение Q^кл₀ не рассчитывается, принимают Qо=(1800 - 2100) кДж/кг_кл; д, и, с: см.табл. П11; ш: q^р₁=Gсс * Г * Аl₂O₃ * q^{дег(Аl2O3)}_о /100, где Аl₂О₃ - мас.доля Аl₂O₃ в глине, %; q^{дег(Аl2O3)}_о- см.табл. П11.

   q^р₂ = G^ф_Н2О * r_о = 0,275*2490 = 685(кДж/кг_кл)