Випал магнезіального в’яжучого в шахтних печах

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет водного господарства і природокористування 

Кафедра технології будівельних виробів та матеріалознавства

 

 

 

 

 

Курсова робота

з дисципліни:

„Теплотехнічне  обладнання”

на тему:

„Випал магнезіального в’яжучого в шахтних печах”

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

студент ФБА

групи ТБК-31

Рабчун І.В.

Перевірив:

Бордюженко  О.М.

 

 

 

Рівне 2009                                                            

Зміст

Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . 4

1. Опис роботи теплової установки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2. Технологічні параметри і режим роботи установки  . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Розрахунок конструктивних розмірів шахтної печі. . . . . . . . . . . . . . . . 11
4. Розрахунок горіння палива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
5. Матеріальний баланс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6. Тепловий баланс установки по зонам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
7. Аеродинамічний розрахунок з вибором обладнання . . . . . . . . . . . . . . .21
8. Техніко-економічні показники  . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .26

Список використаної літератури . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

 

 

Вступ

Магнезіальні  матеріали – це повітряні в’яжучі, які слабо опираються дії води, що вимиває з них розчинні солі MgCl₂. Їх можна використовувати тільки на повітрі, з відносною вологістю не більше 60%.

Магнезіальні  в’яжучі отримують в результаті випалу недопікання карбонатних  порід, які містять в собі в  значній кількості вуглекислий  магній (MgCO₃) або доломіт ( CaCO₃∙MgCO₃),що є пороутворюючими матеріалами. Домішками   є глинисті речовини SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, в незначних кількостях вуглекислий кальцій.

Особливості магнезіальних  в’яжучих є:

1. швидкість твердіння ( через одну добу 50% марочної міцності);
2. висока міцність (границя міцності при стиску до 15-20 МПа);
3. нейтральний хімічний склад отриманої суміші( рН=7…8), який дозволяє в якості заповнювача використовувати деревоволокнисті речовини, що зазвичай розкладається, наприклад, в портландцемент них розчинах;
4. при високому вмісті MgO (від 20% і вище) вони замішуються не на воді а на водних розчинах хлористої солі магнію, більш гігроскопічне і менш водостійке, тому інколи на поверхні виробів з’являються висоли. 

Ці особливості  водночас є перевагами магнезіальних в’яжучих над іншими вилами в’яжучих речовин, і є причинами використання і виробництва цього виду в’яжучих.

При застосуванні MgSO₄ міцність в’яжучого і виробів на його основі дещо нижча, та висоли на поверхні не утворюються.

Завдяки високій адгезії  до органічних заповнювачів( тирси, стружки), магнезіальні в’яжучі застосовують в якості в’яжучого для виготовлення ксилоліта, фіброліта і арбаліта.

Фіброліт і арбаліт  за своїми технологічними, економічними та експлуатаційними показниками являються  найбільш перспективними матеріалами для широкого використання в будівництві. Ці матеріали є теплоізоляційними і конструктивно теплоізоляційними. Арбаліт стійкий до біологічного  впливу середовища, є важко спалимим, має добрі звукоізоляційні властивості.   

Каустичний  магнезит використовується давно на відміну від каустичного доломіту, перший завод по виробництву якого був побудований інженером Б.К. Буткевичем у 1930 році в Інварі, біля   станції Волосово Жовтневої залізниці.                                                                      

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Опис роботи теплової установки

У шахтну піч  каустичний доломіт подають зверху через спеціальний завантажувальний пристрій. Повітря, необхідне для спалювання палива, підводять у піч знизу. Піч працює під розрідженням, на вимушеній тязі, що створюється димососом. У нижній частині вентилятором створюють надлишковий тиск.

По висоті піч  умовно можна поділити на окремі зони. Перша – зона підсушування. В ній видаляється фізична волога. В залежності від вологості матеріалу ця зона займає 8...12% пічного простору. За нею розміщена зона нагріву, в якій каустичний доломіт нагрівають до 860...940°С. В даній роботі зони підсушування і нагріву об'єднані і надалі називаються зоною нагріву. Об'єм цієї загальної зони становить близько 25% робочого об'єму печі.

Потім іде зона розкладання вапняку або зона випалу. Випал при малому вмісті в сировині вуглекислого магнію (малодоломітизовані мергелі) ведуть при температурі 900...1150°С. Магнезіальні доломіти випалюють при 800...900°С. Більш висока температура може викликати перевипал Mg, внаслідок чого кінцевий продукт буде нерівномірно змінюватися в об'ємі. Максимальна температура досягається на межі зони випалу і зони охолодження.

При випалі каустичного доломіту відбувається дисоціація вуглекислого кальцію і магнію, при цьому активно проходять твердофазні реакції, такі самі, як і при добуванні гідравлічного вапна. У результаті цього окис кальцію майже цілком зв'язується в силікат кальцію С₂S, алюмосилікат С₂АS, алюмінати кальцію СА і С₅А₃, ферит С₂F і алюмоферит кальцію С₄АF. Також утворюється деяка кількість геленіту та воластоніту.

У зоні охолодження, яка знаходиться після зони випалу, продукція охолоджується повітрям до температури 50°С на виході із печі.

В даній печі паливом є природний газ, Бугурустанського родовища.

За необхідною продуктивністю вибираємо найбільш потужну піч. Її характеристики наведені в таблиці 1.

                                                                                   

 

                                                                                             Таблиця 1

Проектні характеристики шахтної печі, продуктивнісю 150 т/добу,  
що працює на природному газі, конструкції Гіпрострома

Показники	Значення
Висота печі, м робоча будівельна	19 34,3
Внутрішній  діаметр шахти, мм в зоні підігріву в зоні випалу	4,3 3,744 х 3,744
Середня площа поперечного перерізу шахти в зонах підігріву і випалу, м2	13,6
Корисний об'єм шахти, м3	258
Питомий зйом вапняка, т/(м2×добу)	11
Питомий зйом вапняка, т/(м3×добу)	0,58
Питома витрата  умовного палива, кг/т	185
Питома витрата  електроенергії, кВт год/т	15
Витрата оборотної  води на охолодження пальних пристроїв	90
Пальники	2 балки з  форсунками, що охолоджуються водою
Завантажувальний  пристрій	Живильник електровібраційний 185ПТ Скіп з ковшем ємністю 1,5 м3
Вивантажувальний  пристрій	Вивантажувальна решітка Гипромстроя з гідроприводом
Герметизуючий пристрій вивантажувального механізма	Шлюзовий трьохклапанний затвор

 

 

2. Технологічні  параметри та режим роботи  установки

Випал каустичного доломіту в даній курсовій роботі проводиться при максимальній температурі 1000°С. Доломіт, який має початкову температуру 10°С, нагрівається в зоні нагріву до 940°С, охолоджується в зоні охолодження від 940 до 50°С. Початок розкладу доломіту настає при 860°С. Атмосферне повітря, яке поступає в піч, має вихідну температуру 10°С і вологовміст 10 г/кг. Повітря в зоні охолодження матеріалу нагрівається до 700°С, в зоні випалу згоряє і утворює димові гази з температурою 950°С, які, нагріваючи матеріал, охолоджуються до 30°С.

Проведемо розрахунок основних розмірів теплової установки. Спочатку визначимо час перебування матеріалу в кожній зоні печі. Приймаємо, що середній радіус куска доломіту, який завантажується в піч, становить 0,06 м.

Зона нагріву

Для нагріву куска матеріалу  від 10°С до температури розкладання 860°С йому треба надати теплоту

,

де с = 1,87 кДж/(кг×К) – теплоємність мергеля,

 – його маса (2950 кг/м³- густина доломіту), кг.

 

З іншої сторони, за час t_н передається теплота:

,

де  Вт/(м²×К) – коефіцієнт теплопередачі в зоні нагріву, a_Н = 13,96 Вт/(м²×К) – коефіцієнт тепловіддачі від газу до доломіту в зоні нагріву, l = 2,3 Вт/(м×К) – теплопровідність доломіту,

°С – різниця температур,

.

Тоді  . Зрозуміло, що :

год.

Зона випалу

Для розкладу куска  доломіту необхідна теплота

,

де 1782,7 кДж/кг – питома кількість теплоти на дисоціацію карбонату кальцію,

 – маса куска,  кг.

.

А оскільки, в  доломіті міститься 66,03% СаСО₃, то

.

 

З іншої сторони, за час t_в передається теплота:

,

де  Вт/(м²×К) – коефіцієнт теплопередачі в зоні нагріву, a_В = 13,96 Вт/(м²×К) – коефіцієнт тепловіддачі від газу до доломіту в зоні нагріву, Вт/(м×К) – усереднена теплопровідність доломіту,

°С – різниця температур,

.

Тоді  . 

:

год.

Зона охолодження

Для охолодження куска  матеріалу від 940°С до 50°С йому треба віддати теплоту

,

де с = 0,795 кДж/(кг×К) – теплоємність доломіту,

 – маса куска, кг.

 

З іншої сторони, за час t_ох передається теплота:

,

де  Вт/(м²×К) – коефіцієнт теплопередачі в зоні нагріву, a_ох = 11,63 Вт/(м²×К) – коефіцієнт тепловіддачі від газу до доломіту в зоні нагріву, l = 0,62 Вт/(м×К) – теплопровідність доломіту,

°С – різниця температур,

.

Тоді  . Зрозуміло, що :

год.

 

Повний час  перебування доломіту в печі складає:

t = t_Н + t_В + t_ох = 16,28 + 16,5 + 10,0 = 42,78 год.

 

 3.Розрахунок конструктивних розмірів шахтної печі

Корисний об'єм шахти  м³, де Р - продуктивність печі, t - час перебування матеріалу в печі, g - маса 1 м³ доломіту.

Якщо  , то .

 м.

Приймаємо діаметр  шахти 4,8 м, тоді висота 14,3 м, але враховуючи технічні характеристики шахти, маємо висоту 19 м.

Добовий питомий зйом з 1 м³ робочого об'єму шахти:

т/добу або 23,3 кг/год.

Добовий питомий  зйом з 1 м² поперечного перерізу шахти:

т/добу або 354,2 кг/год.

В шахтній печі, яка нормально працює, теплові  зони займають приблизно такі частини  всього об'єма печі: зона нагріву  – 25%, випалу – 50%, охолодження – 25%. Зона нагріву починається приблизно в тій частині, де температура газів складає близько 900°С. З точки зору економічності роботи велике значення має висота цієї зони, оскільки недостатня її висота може спричинити підвищену температуру відхідних газів і, як наслідок, недостатнє використання теплоти. Тому висоту зони підігріву приймаємо 4,75 м.

Зона випалу є зоною  основних хімічних реакцій, що перебігають  в печі. Початок і кінець цієї зони визначаються температурою матеріалу, що випалюється. Висота зони випалу становить 9,5 м.

Зона охолодження починається на тій висоті, де закінчується горіння палива і досягає місця вивантаження готового продукту. Висота її 4,75 м.

 

 

 

 

 

 

 

4. Розрахунок горіння палива

У виносних топках шахтної печі як паливо використовують природний газ Бугулусланського родовища. Його склад наведений в таблиці 2.                                                                                                                                                              

                                                                                              Таблиця 2

Елементарний  склад природного газу Бугурусланського родовища (у %)

CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	CO2	N2
82.3	5.0	2.0	1.2	0.6	0.4	8.5

 

Розрахунок  ведемо на 1м³ природного газу.

 

1. Визначаємо нижчу теплоту згорання газу:

          Q_H=358∙CH₄+638∙C₂H₆+913∙C₃H₈+1187∙C₄H₁₀+1461∙C₅H₁₂=358∙82.3+638∙5.0+913∙2.0+1187∙1.2+1461∙0.6=30195.1 кДж/м³.

 

2. Визначаємо вищу теплоту згорання газу:

    Q_B=398∙CH₄+695∙C₂H₆+993∙C₃H₈+1286∙C₄H₁₀+1580∙C₅H₁₂=398∙82.3+695∙5.0+993∙2.0+1286∙1.2+1580∙0.6= 40707.6 кДж/м³.

 

3. Визначаємо теоретично необхідну кількість сухого повітря:

 

L₀=0.0476∙(2∙ CH₄+3.5∙ C₂H₆+5∙ C₃H₈+6.5∙ C₄H₁₀+8∙ C₅H₁₂)= 0.0476∙(2∙ 82.3+3.5∙ 5.0+5∙ 2.0+6.5∙ 1.2+8∙0.6)=9.74 м³/м³.

 

4. Приймаємо вологовміст атмосферного повітря d=10 г/кг сухого повітря

    і знаходимо  теоретично необхідну кількість  атмосферного повітря з

    врахуванням його  вологості:

L₀´= (1+0,0016∙d)∙ L₀=(1+0.0016∙10)∙9.74=9.89 м³/м³.

 

5. Приймаємо коефіцієнт залишку повітря для горіння α=1,2. Тоді 

    витрати:

• сухого повітря: L_a=1,2∙9,74=11,6 м³/м³;
• атмосферного повітря: L_a^’=1,2∙9,85=11,86 м³/м³.

6. Визначаємо кількість і склад продуктів горіння при α=1,2:

V_CO2=0.01∙(CO₂+CH₄+2∙C₂H₆+3∙C₃H₈+4∙C₄H₁₀+5∙C₅H₁₂) =0.01∙(0.4+82.3+2∙5.30+3∙2.0+4∙1.2+5∙0.6)=1.07 м³/м³.

 

V_H2O=0.01∙(2∙CH₄+3∙C₂H₆+4∙C₃H₈+5∙C₄H₁₀+6∙C₅H₁₂+0.16∙d∙L_a)=0.01∙(2∙82.3+3∙5.0+4∙2.0+5∙1.2+6∙0.6+0.16∙10∙11.628)=2.148 м³/м³.

 

V_N2=0.79∙ L_a +0.01∙ N₂=0.79∙11.628+0.01∙8.5=9.271м³/м³.

 

V_O2=0.21∙ ( α -1)∙ L₀=0.21∙(1.2-1)∙9.74=0.409 м³/м³.

7. Визначаємо кількість продуктів горіння:

        V_a =1.07+2.148+9.271+0.409=12.898 м³/м³.

8. Складаємо матеріальний  баланс процесу горіння на 100 м³ газу,

    приведеного  до нормальних умов, при α=1,2.                                                                                   

                                                                                                                                                                                                     Таблиця 3

Матеріальний  баланс процесу горіння

Прихідна частина	м3	Витратна частина	м3
Природний газ   CH4   C2H6   C3H8   C4H10   C5H12    CO2   N2   Повітря  O2   N2   H2O	82.3 5.0 2.0 1.2 0,6 0,4 8.5     244,286 919 18,6	Продукти горіння    CO2    H2O   N2   O2     Нев’язка	107 214,8 927,1 40,9     -7
Всього	1281.88	Всього	1289.8

 

 

9. Визначаємо теоретичну температуру горіння. Для цього запишемо рівняння теплового балансу, процесу горіння на 1 м³ палива:

  

де С_пов – теплоємність повітря при t_пов;

    Нехай  температура повітря t_пов=20°С, тоді С_пов=1,3 кДж/м³∙°С.

    С_пл – теплоємність палива при температурі t_пл . Для природного газу можна прийняти С_пл=1,6 кДж/м³∙°С., при t_пл=20°С.

    С_Д.Г. – теплоємність димових газів при t_г .

    Для природного  газу існує залежність С_Д.Г.=1,355+0,000075∙t_г,

    де t_г – температура димових газів, °С.

То теоретичну температуру  можна однозначно визначити з  рівняння теплового балансу:

    .

Звідки t_г=1913,9°С.

Обраховуючи пірометричний коефіцієнт, який для шахтної печі :

°С.

10. Розрахуємо додаткову кількість повітря, яка йде на підтримання в печі 1000°С.

За тепловим балансом:

   

де Х_пов – додаткова маса повітря.

    30195.1+1,6∙20+(11,86+Х_пов)∙1,3∙20=12,898∙1429∙1,46+1,455∙1429∙ Х_пов

звідки Х_пов=5.20 м³/м³.

11. Загальна кількість повітря:

  м³/м³ чи 12,92 м³/кг палива.

12. Визначаємо дійсний коефіцієнт витрати повітря:

    .

13. Визначаємо загальну кількість продуктів горіння при α=1,41:

    м³/м³;      м³/м³

   м³/м³

     м³/м³

  м³/м³

  14. Визначаємо густину димових газів:

    кг/ м³.

15. Визначаємо ентальпію для даних газів:

    

16. Визначаємо вологовміст димових газів:

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Матеріальний баланс

Розрахунок  матеріального балансу ведеться на один кілограм доломіту. Для в'яжучого з однокомпонентної шихти, яким і є доломіт, витрату сировини ведуть з урахуванням фізико-хімічних процесів, які лежать в основі їх технології.

Визначимо витрату  доломіту на отримання 1 кг випаленої продукції.

                                                                                                                                     Таблиця 4

Хімічний склад  каустичного доломіту

CaO	29.5%	Fe2O3	0,4%
MgO	15.5%	ВПП	40,85%
Al2O3	1%	СНО	9,75%

Вологість каустичного  доломіту складає 7%, тоді маса сухого доломіту буде:

г

Домішки складають 11,15%.

Маса домішок  становить 103,695г.

Маса сухого чистого доломіту 826.3г.

Вміст СаО і MgO визначається із хімічних рівнянь і становить:

           MgO=180,7г; СаО=251,1г.

З врахуванням  домішок з 1 кг каустичного доломіту отримано 535,5г магнезіального в’яжучого.

 

Витратна  частина:

1. Паливо – Х кг;
2. Сировина

сухої сировини:

  кг;

вологого вапняку з вологістю 7%:

  кг.

3. Повітря м³/кг

або  кг/кг.

 

Прихідна  частина:

1. Вихід вапна – 1 кг;
2. Вихід технологічної вуглекислоти:

 кг;

    м³.

3. Вихід фізичної води сировини:

кг

    м³.

4. Вихід гідротехнічної води:

 кг,

    м³.

5. Вихід вихідних газів з палива:

кг/кг,

       

сухого мергелю 

вологого мергелю, з вологістю 7%

Таблиця 5

Матеріальний баланс на 100 кг доломіту

Прихідна частина	кг	Витратна частина	кг
Доломіт:		Магнезіальне  в’яжуче:
СаСO3+MgСO3	81,85	СаO+MgO	45
Глинисті домішки Al2O3+SiO2	1,0	Глинисті домішки Al2O3	1
Інші домішки Fe2O3+SO3	10,15	Інші домішки	10,15
Фізична волога	7,00	Газ:
		Фізична волога	7,00
		Гідратна волога	0,061
		СО2 із СаСO3 і MgСO3	35,79
Всього	100,00	Всього	100,00

 

 

6. Тепловий баланс установки по зонам

Розрахунок  матеріального балансу ведеться на один кілограм магнезіального в’яжучого. Всю шахтну піч розбиваємо на три зони: нагріву, випалу і охолодження. Для кожної зони окремо розраховуємо тепловий баланс, зводимо загальний баланс, визначаємо витрату палива в шахтній печі на 1 кг готової продукції.

Тепловий баланс зони охолодження на 1кг магнезіального в’яжучого

Прихідна  частина

1. З в’яжучого, нагрітим в зоні випалу до 940°C:

 кДж,

де с_м.в. = 0,930 кДж/(кг×К) - теплоємність магнезіального в’яжучого при 940°C.

2. З повітрям, що надходить в зону охолодження:

 кДж,

де i_пов = 13,02 кДж/м³ – ентальпія повітря при 10°C.

Витратна  частина

1. З магнезіальним в’яжучим, охолодженим до 50°C:

 кДж,

де с_м.в. = 0,78 кДж/(кг×К) - теплоємність магнезіального в’яжучого  при 50°C.

2. З повітрям, що надходить в зону випалу:

 кДж,

де i_пов = 963,0 кДж/м³- ентальпія повітря при 700°C.

3. Втрати в навколишнє середовище (n₁ = 8% від кількості теплоти, що надійшла в зону охолодження):   кДж.

Таблиця 6

Тепловий баланс зони охолодження на 1 кг магнезіального в’яжучого 

Прихідна частина	кДж	Витратна частина	кДж
1. З магнезіальним в’яжучим  при 940°С	874,2	1. З магнезіальним в’яжучим  при 50°С	39,00
2. З повітрям  при 10°С	222.1х	2. З повітрям  при 700°С	16428.7х
		3. Втрати в  навколишнє середовище (8%)	17,768+ 69,93х
Всього	222.1х +874,2	Всього	16498.63х +56,768

Тепловий баланс зони випалу на 1кг магнезіального вяжучого

Прихідна  частина

1. Від горіння палива:  кДж.
2. З повітрям, що надходить в зону випалу (див. зону охолодження):

 кДж.

3. З доломітом, із зони нагріву, нагрітим до 940°C:

 кДж,

де с_дол = 1,11 кДж/(кг×К) - теплоємність доломіта при 940°C.

 

Витратна  частина

1. З магнезіальним в’яжучого  , нагрітим до 940°C (див. зону охолодження):