Расчет воздухоподогревателя доменной печи

Министерство образования РФ

Курсовая работа

по дисциплине: «Теплотехника»

на тему: «Расчет воздухоподогревателя доменной печи»

Выполнил:

Проверила:

2005 г.

РАСЧЕТ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Доменная печь объемом 3200 м³ оборудована 4 воздухонагревателями, работающими последовательно.

Расход воздуха на печь VB= 95 м3/с (342 000 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 + 0,1242W),

хквл = хксух 100/(100 + 0,124 225) = 0,97 хксух, хдвл = хдсух 100/(100 + 0,124 230) = 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 + 358СН4 + 590С2Н4 + 555 С2Н2 + 636С2Н6 = 127,77,16 + 10 853,27 + 35 824,61 + 5904,12 = 17 908 кДж/м3.

QPн. дом = 127,729,4 + 1082,41 + 3580,87 = 4326 кДж/м3.

Находим долю каждого газа:

а = (QPн. кокс — QPн. смеси) / (QPн. кокс — QPн. дом)

= (17 908 — 7200)/(17 908 — 4326) = 0,79

хсм = хдома + хкокс (1-а) = хдом0,79 + хкокс0,21,

воздухонагреватель печь газ горение откуда СОсм2 = 10,60,79 + 2,420,21 = 8,88%,

СОсм = 29,40,79 + 7,160,21 = 24,73%,

Н2см = 2,410,79 + 53,270,21 = 13,09%,

N2см = 53,110,79 + 3,550,21 = 42,7%,

СН4см = 0,870,79 + 24,610,21 = 6,01%,

С2Н4см = 00,79 + 4,120,21 = 0,86%,

О2см = 00,79 + 1,610,21 = 0,34%,

Н2Осм = 3,610,79 + 3,260,21 = 3,54%,

= 100%

Находим расход кислорода для сжигания смешанного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1.0:

Vo2 = 0,01[0,5(CO + H2) + (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 + 2С2Н4см) = 0,01(6,01 + 8,88 + 24,73 + 20,86) = 0,41 м3/м3

+ Н2Осм + Н2см] = 0,01[0,5(40,86 + 46,01) + 3,54 + 13,09] = 0,3 м3/м3

+ 0,01 N2см = 1,13,7620,335 + 0,0142,7 = 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.

Принимая, что воздух, поступающий в воздухонагреватель после воздуходувки, имеет температуру tнв =200°С, находим температуру продуктов сгорания.

Находим энтальпию продуктов сгорания

i0 = (7200+261,941,75)/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 = 4087,10,16 + 3203,050,1175 + 2632,090,015 + 2486,280,7075 = 2828,0 кДж/м3.

Поскольку i1700 < i0, принимаем t"д =1800°С и определим энтальпию продуктов сгорания при этой температуре

i1800 = 4360,670,16 + 3429,90,1175 + 2800,480,015 + 2646,760,7075 = 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 пир= 0,95, действительная температура продуктов сгорания равна

tд = пир tк = 0,95 * 1787 = 1697 °C.

Принимая снижение температуры продуктов сгорания до поступления в насадку равным 3% от tд найдем температуру дымовых газов на входе в насадку сверху tнд =0,971 697= 1647 °C.

Среднюю за период температуру дыма на выходе из насадки примем равной tкд =250°C. При начальной и конечной температурах энтальпия продуктов сгорания равны

iнд = 39 500,16 + 30 930,1175 + 25 480,015 + 24 070,7175 = 2760 кДж/м3;

iкд = 462,70,16 + 383,40,1175 + 337,40,015 + 336,50,7175 = 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 t"в =100°С. Тогда средняя температура дутья на выходе из насадки в течение периода будет равна iнв =0,5 [1300+ (1300+100)] = 1350 °C, 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) д = Vв (iкв — iнв) в,

где 0,95 — коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке.

Предварительно необходимо задаться временем между перекидками в дымовом периоде д=6200 с (1,7 ч) и длительностью времени на перекидку п =360 с (0,1 ч).

Находим длительность воздушного периода

в =(д + п) / (n-1) = (6200 + 360)/(4−1) = 1800 с (0,5 ч),

где n — число воздухонагревателей.

Общая продолжительность цикла равна

= 6200 + 360 + 1800 = 9080 с (2,8 ч).

Теперь определяем

Vд = 95(1800−262)1800 /0,95(2760 — 362)6200 = 22,44 м3/с (80 812 м3/ч)

и расход смешанного коксодоменного газа на воздухонагреватель

VCM = Vд/Lд = 22,44 /2,56 = 8,76 м3/с (31 556 м3/ч).

Расход воздуха на горение смешанного газа

Vгорв = VCM LB = 8,76 1,75 = 15,33 м3/с (55 188 м3/ч).

Предварительное определение поверхности нагрева насадки

Тепло, затраченное на нагрев воздуха

QB = VB (iкв — iнв) в = 95(1800−262)1800 = 368 106 кДж/цикл.

Среднелогарифмическая разность температур

t = [(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 °C; tдниз = (948,5+ 250)/2 = 599 °C;

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 °C.

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 в и кинематических коэффициентов вязкости в 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/(кгК) 0,87+0,193t 0,865+0,2t

Вт/(мК) 1,58+0,00038t 1,04+0,00015t

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

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 к > 1/3 вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать его толщину и можно принять = 5,1 для низа насадки =2,3 для верха.

Таблица 2

Теплофизические параметры материала насадки

Теперь можно найти значения суммарных коэффициентов теплоотдачи от дыма к воздуху: для верха насадки

верх = 1/(1000/59,47 200 + 1/30,1 841 000/1,935(1/7200 + 1/2520) + 1/0,18 420 001,3292,3) + 1000/1 092 520) = 60,04 кДж/(м2К),

для низа насадки

низ = 1/(1000/42,87 200 + 1/30,1 841 000/1,123(1/7200 + 1/2520) + 1/0,18 420 251,0935,1) + 1000/97,52 520) = 66,5 кДж/(м2К),

Средний для всей насадки

= 0,5 (верх + низ) = 0,5 (66,5 + 60,04) = 63,27 кДж/(м2К).

Поверхность нагрева находим по формуле

F = 368 106 / 63,27 136,5 = 42 610 м².

Объем насадки

V = 42 610/38,1 =1118 м3.

Площадь поперечного сечения в свету

w = 80 812/36002,0 = 11,22 м².

Общая площадь поперечного сечения насадки

= 11,22/0,2975 = 37,7 м².

Высота насадки Н =V/ = 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 = сFSэ = (1,323+1.093)/2 (2000+2025)/2 426 100,0184 =

2,18 106 кДж/К.

При Vд = 80 812 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,

Wвв/ Wдд = 1270,7/38,522,0 = 1,15,

F/(Wвв) = 62.2 742 610/(1270.73 600) = 8.29

По графику на рис. находим значение коэффициента mв=1,65 и рассчитываем значение условной постоянной времени воздушного периода Тв = 1/(0,82 Wвh mв / cFSэ + 324/в) =

1/(0,821 271,01,65 / 2,18 106 + 324/2520) = 10 440 с (2,9 ч).

Находим изменение температуры дутья за время воздушного цикла

t"в = 0,5(1350 — 200)/(2,9 — 0,5/2) = 175 К.

коэффициент стройности насадки

Кстр = Н/()0,5 = 29,6/(37,7)0,5 = 4,82

Определим оптимальное время между перекидками клапанов:

д = (2,5 сFSэп / Wдh)0.5 — п =

(2,5 2,18 106 360 / 38,52 1)0.5 — 360 = 6776 с (1,88 ч)

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.