Расчет теплотехнической эффективности недожога топлива до содержания 1% СО в отходящих газах на ОАО «Сухоложский цемент»

ЗАДАНИЕ

Рассчитать теплотехническую эффективность недожога топлива до содержания 1% СО в отходящих газах на ОАО «Сухоложскцемент».

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Газ «Северо-тюменского месторождения»

Состав топлива:

Теплота сгорания топлива: Q^р_н=34 393,95 кДж/м³

Состав сырья, %:

Минералогический состав сырья, %:

Печь:

Размеры:5×185 м

Производительность Q = 71,6 т/ч

Холодильник колосниковый:

Размеры:

Длина, м — 25

Высота, м — 10

Ширина, м — 6

Параметры работы:

· Температура отходящих газов равна 200єС;

· Температура клинкера на выходе из печи равна 1300єС;

· Степень очистки газов в электрофильтрах равна 99%;

· Температура окружающей среды равна +10єС;

· Коэффициент избытка воздуха б_газ = 1,04;

· Доля первичного воздуха 0,2;

· Температура клинкера на выходе из холодильника равна 85єС;

· Температура избыточного воздуха равна 120єС;

· Объем воздуха на охлаждение равен 3,0 м³/кг кл;

· Пылевынос из печи равен 9%;

· Температуа возвратной пыли равна 80єС;

· Температура шлама равна +10 єС;

Температура корпуса печи и коэффициент теплоотдачи:

Для получения клинкера необходимо подготовить из сырьевых материалов шихту заданного химического состава. Допуск колебания в составе довольно жесткий (±0,1% по СаО), что накладывает. на технологический процесс определенный отпечаток. Поскольку часто имеет место неоднородность по составу сырьевых материалов, дозирующие весовые аппараты не могут обеспечить точность, и шихта готовится как бы в два этапа — сначала готовится смесь приближенного состава, а затем состав ее корректируют на основе данных химического анализа.

Как уже отмечалось, синтез клинкерных минералов протекает вначале путем реакций в твердой фазе. Скорость образования минералов (С₃S, С₃А, С₄АF) в этих условиях определяется скоростью диффузии реагирующих компонентов. Процесс можно ускорить, если сырьевые компоненты превратить в тонкодисперсный материал с большой удельной поверхностью (500—600 м³/кг). Тонкий размол также облегчает перемешивание и усреднение сырьевой смеси.

Для каждого вида сырья следует выбрать оптимальный способ подготовки, обеспечивающий тонкий помол, равномерное смешение компонентов при минимальных энергетических затратах. В цементной промышленности сложилось три способа подготовки сырьевой смеси: мокрый, сухой и комбинированный. На современном заводе в сутки перерабатывают несколько железнодорожных составов сырья. При массовом потоке сырья важной задачей является его усреднение и гомогенизация. Перемещать по заводским коммуникациям и перемешивать, усреднять проще водную суспензию, чем сухой порошок.

Выбор способа производства является важным этапом при проектировании, определяющим технико-экономические показатели, и в значительной степени зависит от физико-химических свойств сырьевых материалов. При высокой естественной влажности сырьевых компонентов, их способности легко диспергироваться (распускаться) в воде, так же, как и при относительно пестром химическом составе, применяется мокрый способ производства. При низкой естественной влажности и однородном химическом составе компонентов сырьевой смеси применяют сухой способ. Усреднение и гомогенизация сырьевого шлама осуществляется легче при мокром способе, если сырьевые материалы имеют пестрый химический состав, при этом уменьшается расход сжатого воздуха. При сухом способе подготовка сырьевых материалов (сушка, помол, транспортировка, грануляция) нуждается в большем числе механизмов и количестве обслуживающих (на 15…20%) в сравнении с мокрым.

С появлением печей с циклонными теплообменниками, в которых обжигается сухая сырьевая смесь, не требующая предварительной грануляции и увлажнения, расход тепла в технологии сухого способа существенно сократился.

Основные переделы технологической схемы включают дробление и измельчение сырья, приготовление сырьевой смеси при определенном соотношении компонентов, корректирование сырьевой смеси, гомогенизацию и обжиг сырья. Провести помол и гомогенизацию порошков удается быстрее с меньшими затратами энергии в водной суспензии. Поэтому мокрый способ производства в России получил наибольшее распространение. Выбору мокрого способа содействовала высокая естественная влажность сырьевых материалов и относительно низкие цены на топливо в период проектирования и строительства заводов.

В зависимости от твердости и распускаемости сырьевых компонентов в воде мокрый способ имеет три варианта. Если первый компонент (известняк) — твердый, а второй — глинистый мягкий, то известняк дробят, а глину распускают в воде. Окончательное измельчение трехкомпонентной шихты проводят в мельнице. После окончательного корректирования состава сырьевой смеси и гомогенизации шлам поступает во вращающуюся печь. В дальнейшем технологическая схема уже не имеет отличий независимо от способа производства.

Использование двух мягких пород (мела и глины) или компонентов высокой твердости (известняка и глинистого сланца) не меняет последовательности основных технологических операций. Применяя мягкие мел и глину, в технологии используют возможность их быстрого распускания в воде. Обработка сырьевых материалов на мельницах «Гидрофол» позволяет обойтись без предварительного дробления, но для полного измельчения твердых включений необходим помол в шаровой мельнице.

По приведенной схеме работают Себряковский, Белгородский, Вольский цементные заводы.

В настоящий период в России производственные мощности для выпуска цемента по мокрому способу составляют около 84%, тогда как за рубежом преобладают заводы, работающие по сухому способу.

Сопоставим положительные и отрицательные стороны двух способов, чтобы знать доводы, на которые опираются проектировщики при выборе способа.

Свойства сырья предопределяют выбор способа. При высокой влажности известняка (мела) и глины количество тепла, расходуемого на сушку и обжиг по сухому способу, мало отличается от тех же величин по мокрому способу. Считают, что сухой способ выгоден, если суммарная влажность сырья не более 15%. Для получения 1 т клинкера требуется до 1550…2100 кг сырья естественной влажности, потребность в известняковой составляющей достигает 76…80%, глины — 12… 16%, остальное приходится на корректирующие добавки, как правило, повышающие содержание оксида железа, иногда — глинозема или двуоксида кремния. Фактором, определяющим выбор способа производства, чаще всего является естественная влажность сырья. Оптимальной для сухого способа будет минимальная влажность известнякового компонента, так как его доля в сырьевой смеси максимальная. При влажности известняка не более 5% и глины не более 25% влажность сырьевой смеси составит не более 3,5…4%.

Следовательно, для сушки сырья окажется вполне достаточно тепла, которое имеют отходящие газы. Необходимость выделения из сырья кремнистых включений может повлиять на выбор способа. Кроме того, положительными сторонами мокрого способа являются такие экономические показатели, как минимальная стоимость подготовки сырья, сниженные капитальные затраты на строительство сырьевого цеха, меньшая численность рабочих, легкость усреднения и корректирования шлама, более высокая марка получаемого цемента, лучшие условия труда и простота технологии.

Однако переувлажнение шлама (37…44%) вызывает повышенный расход тепла: вместо 2900…3700 кДж при сухом способе до 6000…5400 кДж/кг клинкера при мокром. При сухом способе объемы газов сокращаются на 35…40%, становится удобнее применение доменных шлаков взамен глины, не возникает затруднений с водоснабжением. Конструкции печей сухого способа позволяют достигать более высокой производительности с единичного агрегата: 6… 10 тыс. т/сут вместо 2 тыс. т/сут и сжигать в декарбонизаторе топливо с низкой теплотворной способностью. Наконец, при сухом способе получают легкоразмалываемый клинкер, что позволяет экономить металл мелющих тел и футеровки мельниц.

Мокрый способ прост, но дорог; сухой требует высокой культуры производства, невозможен без мощных пылеосадительных устройств и связан с обслуживанием более сложного печного парка.

Эксплуатация печей сухого способа с циклонными теплообменниками выявила недопустимость обжига сырьевых смесей с повышенной концентрацией щелочных и хлорсодержащих соединений. При взаимодействии этих веществ возникает опасность конденсации щелочно-кальциевых соединений в газоходах и на внутренней поверхности циклонов, что нарушает аэродинамику газовых потоков.

При сухом способе производства сложнее технологическая схема, больше единиц обслуживаемого оборудования, труднее обеспечить удобные условия работы и гарантировать охрану окружающей природы. В настоящее время некоторые технологи-цементники считают, что предстоящее ужесточение требований экологической службы заставит оснастить цементные заводы дорогим дополнительным оборудованием и приборами, что вызовет значительные расходы, которые превысят экономические преимущества сухого способа.

Внедрение третьего способа — комбинированного — пришлось на период энергетического кризиса. В технологическую схему производства включили дополнительные операции после корректирования:

— обезвоживание шлама в вакуум-фильтрах;

— рыхление и грануляцию шлама, сушку в дробилке-сушилке.

Заводские коллективы частично переоборудовали на комбинированный способ одну технологическую линию Себряковского цементного завода.

Неудачей окончилась попытка добиться обезвоживания шламов Щуровского и Белгородского цементных заводов. Влажность шламов в вакуум-фильтрах удалось понизить только на 6…8%. Полностью высушенные сырьевые смеси, приготовленные из мела и глины, оказались нетранспортабельными.

Дополнительные операции комбинированного способа повышают расход электроэнергии на 15…20%, но установка новых или реконструкция действующих печей позволяет на 30% сократить расход топлива на обжиг.

1. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Газ Северо-Тюменского месторождения

1.1 Теплота сгорания топлива

1.2 Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания топлива

1)

2)

1.3 Действительный расход воздуха

где

б_газа — коэффициент избытка воздуха

1) б_газа =1,04;

2) б_газа =1,00;

1.4 Выход продуктов горения

1)

2)

1.5 Теоретический массовый расход воздуха

1)

2)

1.6 Действительный массовый расход воздуха

1)

2)

1.7 Выход продуктов горения

1)

2)

Из условия задания определяем величину

где

0,35· Al₂O₃ — Содержание алюминия в сырье составляем и решаем пропорцию

V_о.г. — 100%

V_СО — 1%

Уточняем выход продуктов горения Уточняем действительный воздух на горение Результаты расчетов сводим в таблицу материального баланса горения топлива при действительном расходе воздуха.

Таблица 1

Материальный баланс полного горения топлива

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПЕЧИ

2.1 Расходные статьи

2.1.1 Расход топлива Принимаем расход топлива за х_т, массовый расход

2.1.2 Расход сырья а) теоретический расход сухого сырья б) действительный расход сухого сырья Где — безвозвратный пылеунос Где — общий пылеунос Где — возвратный пылевынос

2.1.3 Расход сырьевой смеси Где W — влажность шлама

2.1.4 Расход воздуха на горение топлива

1)

Где — действительный расход воздуха на горение,

— плотность воздуха,

2)

2.2 Приходные статьи

2.2.1 Выход клинкера

2.2.2 Выход углекислого газа из сырья Выход CO₂ выделяющегося при разложении CaCO₃ и MgCO₃ в процессе обжига сырья: расчет производится исходя из величины потерь при прокаливании (ППП^с) с содержанием гидратной воды, связанной в каолините Al₂O₃· 2SiO₂·2H₂O.

Где 0,35· Al₂O₃ — Содержание алюминия в сырье

2.2.3 Выход гидратной влаги теплотехнический материальный печь цемент

2.2.4 Выход физической воды при сушке сырья

2.2.5 Выход отходящих газов из печи

1)

2)

Результаты расчета приходных и расходных статей предварительного материального баланса сводим в таблицу Таблица 2

Предварительный материальный баланс печи

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ХОЛОДИЛЬНИКА

3.1 Приход тепла

3.1.1 Энтальпия клинкера на входе

3.1.2 Энтальпия воздуха на охлаждение

— объем воздуха на охлаждение

3.2 Расход тепла

3.2.1 Энтальпия клинкера на выходе

3.2.2 Энтальпия избыточного воздуха

3.2.3 Потери в окружающую среду

3.2.4 Потери с вторичным воздухом Результаты вычислений заносим в таблицу теплового баланса холодильника.

Таблица 3

Тепловой баланс холодильника

4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

4.1 Приходные статьи

4.1.1 Теплота сгорания топлива

1)

2)

4.1.2 Тепло выносимое сырьевой смесью

4.1.3 Энтальпия воздуха, поступающего в печь, участвующего в процессе горения топлива

4.1.4 Энтальпия возвращаемой в печь пыли, уловленной запечными электрофильтрами

4.2 Расходные статьи

4.2.1 Тепловой эффект клинкерообразоваия (ТЭК) где Затраты тепла на декарбонизацию CaCO₃

Затраты тепла на дегидратацию каолинита Затраты тепла на образование жидкой фазы Экзотермические эффекты образования клинкерных минералов

4.2.2 Затраты на испарение влаги из сырья

4.2.3 Потери тепла с отходящими из печи газами

1)

2)

4.2.4 Потери тепла с клинкером выходящим из печи

4.2.5 Потери тепла с выносимой из печи пылью

4.2.6 Потери тепла через корпус печи в окружающую среду

Где В_кл =71,6 т/ч — производительность печи,

— площадь поверхности печи,

I зона:

II зона:

III зона:

IV зона:

4.2.7 Определение удельного расхода топлива Используя уравнение теплового баланса, найдем удельный расход топлива Х_Т

1)

2)

Составляем таблицы материального и теплового балансов вращающей печи:

4.3 Основные теплотехнические характеристики

4.3.1 Тепловой коэффициент полезного действия

1)

2)

4.3.2 Технологический коэффициент полезного действия

1)

2)

4.3.3 Тепловая мощность печи

1)

2)

4.3.4 Удельный расход условного топлива

1)

2)

Таблица 4

Материальный баланс печи

Таблица 5

Тепловой баланс печи

5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

5.1 Объем газообразных продуктов на выходе из печи Где: V_о.г. — выход отходящих газов из печи;

t_о.г. — температура отходящих газов, t_о.г.=200 єС.

1)

2)

1)

2)

5.2 Объем газообразных продуктов перед дымососом увеличивающихся за счет подсосов воздуха

1)

2)

5.3 Аэродинамическое сопротивление Где? Р_п.к. — гидравлическое сопротивление пыльной камеры,

?Р_п.к= 80 — 120 Па. Принимаем? Р_п.к=100 Па;

?Р_эф. — гидравлическое сопротивление электрофильтров,

?Р_эф= 200 — 250 Па. Принимаем? Р_эф.=215 Па;

?Р_газ. — гидравлическое сопротивление газоходов,

?Р_газ.= 70 — 100 Па. Принимаем? Р_газ.=80 Па;

?Р_п. — гидравлическое сопротивление пыльной камеры, Где о — приведенный коэффициент навески цепей, о =10−30,

Принимаем о = 20; Х = 0,75;

F_ц. — поверхность цепей печи, Где К_F = 7,5;

F_п — поверхность футеровки печи в цепной зоне, Где D_вн. — внутренний диаметр печи, D_вн.= 5 м;

L_ц.з. — длина цепной завесы, L_ц.з=40 м;

;

;

D_ц.з. — диаметр цепной завесы, D_ц.з=5 м;

щ_о.г. — скорость движения отходящих газов,

;

Где ц — коэффициент заполнения печи, ц=0,08 — 0,10.

Принимаем ц=0,087;

1) ;

2) ;

с_в — плотность воздуха,

.

1)

2)

1)

2)

5.4 Аэродинамическое сопротивление с учетом запаса давления до 20%

1)

2)

5.5 Мощность потребляемая дымососом Где К=1,15;

з_общ — общий коэффициент полезного действия, з_общ=0,55.

1)

2)

Подбираем дымосос:

Тип — Д-14

Производительность, м³/ч — 576 000

Напор, кПа — 1,56

Мощность двигателя, кВт — 1250

Частота вращения, мин^-1 — 600

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При недожоге топлива до содержания 1% СО в отходящих газах на ОАО «Сухоложскцемент», удается снизить удельный расход условного топлива с 204,3741 кут/т.кл. до 204,09 кут/т.кл.

Технологический КПД печи увеличивается с 32,2542 до 33,414%

Тепловой КПД печи увеличивается с 70,2416 до 71,45%.

Однако увеличился удельный расход топлива с 0,1741 до 0,1909 кг/кг.кл.

Вывод: Недожог топлива до содержания 1% СО в отходящих газах нежелателен, даже несмотря на то, что тепловой и технологический коэффициенты полезного действия увеличиваются, также увеличивается и удельный расход топлива, а расход условного топлива снижается незначительно. Также наличие СО в отходящих газах говорит нам о том, что топливо сгорает не полностью.

1. Ю. М. Бутт, М. М. Сычев, В. В. Тимашев «Химическая технология вяжущих материалов» М., Высшая школа 1980 г.

2. П. В. Левченко «Расчет печей и сушил силикатной промышленности» М.: Высшая школа 1968 г.

3. Проектирование цементных заводов. Под редакцией канд. техн. наук Зозули П. В. и канд. техн. наук Никифорова Ю. В. Издательство «Синтез», Санкт-Петербург, 1995 г.