Тепловой баланс вращающейся печи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова Кафедра энергетики теплотехнологий КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: «Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки»

Тема работы: «Тепловой баланс вращающейся печи»

Выполнил:

студент гр. ЭТ-42

Липатов К.О.

Руководитель работы:

Губарев А.В.

Белгород 2014

Введение

Раздел I. Расчет трехкомпонентной сырьевой смеси Раздел II. Расчет горения топлива Раздел III. Материальный баланс цементной вращающейся печи для производства клинкера по сухому способу Раздел IV. Тепловой баланс цементной вращающейся печи (идеальная установка) для производства клинкера по сухому способу Раздел V. Тепловой баланс цементной вращающейся печи (реальная установка) для производства клинкера по сухому способу Заключение Список литературы

Задание

Определить расход топлива и составить тепловой баланс вращающейся печи для обжига цементного клинкера. Расчёты произвести для идеальной и реальной установок, для печей сухого и мокрого способа производства.

Исходные технические данные:

Одной из основных составных частей технологии строительной индустрии является тепловая обработка, на которую затрачивается около 30% стоимости производства строительных материалов и изделий. Кроме того, тепловая обработка потребляет около 80% от расходуемых на весь производственный цикл топливно-энергетических ресурсов. Таким образом, создание экономических тепловых процессов, позволяющих получать изделия отличного качества с минимальными затратами топлива и электроэнергии, даст возможность существенно уменьшить капиталовложения в сферу строительства.

Вращающаяся печь (трубчатая печь, барабанная печь), промышленная печь цилиндрической формы с вращательным движением вокруг продольной оси, предназначенная для нагрева сыпучих материалов с целью их физико-химической обработки. Вращающиеся печи различают: по принципу теплообмена — с противотоком и с параллельным током газов и материала; по способу передачи энергии — с прямым, косвенным (через стенку муфеля) и комбинированным нагревом обрабатываемого материала. По назначению различают вращающиеся печи для спекания шихт в производстве глинозёма, получения цементного клинкера, окислительного, восстановительного, хлорирующего обжига, прокалки гидроокиси алюминия, кокса, карбонатов, сульфатов и др., обезвоживания материалов, извлечения цинка и свинца (вельц-печи), получения железа или сплавов цветных металлов их прямым восстановлением из руд в твёрдой фазе (кричные печи), обжига огнеупорного сырья и др.

Основными являются вращающиеся печи, в которых сжигается пылевидное, твёрдое, жидкое или газообразное топливо непосредственно в рабочем пространстве печи и греющие газы движутся навстречу обрабатываемому материалу. Металлический барабан, футерованный огнеупорным кирпичом, устанавливают под небольшим углом к горизонту на опорные ролики. В ряде случаев диаметр барабана делают переменным по длине. Барабан приводят во вращение (1—2 об/мин) электродвигателем через редуктор и открытую зубчатую передачу. Шихту загружают со стороны головки. Сухую шихту подают механическими питателями, а шихту в виде пульпы — наливом или через форсунки. Топливо (10—30% от массы шихты) вводят через горелки (форсунки), помещённые в горячей головке. Здесь же выгружают готовый продукт, направляемый в холодильник. Газы из вращающиеся печи очищают от пыли (возгонов) в системе. Для улучшения условий теплопередачи во вращающиеся печи встраивают различные теплообменные устройства — перегребающие лопасти, полки, цепные завесы, насадки и т. д. С этой же целью в ряде случаев футеровку печей выполняют сложной формы, например ячейковой. Основные размеры вращающиеся печи варьируются в значительных пределах: длина от 50 до 230 м, а диаметр от 3 до 7,5 м. Производительность вращающейся печи достигает 150 т/ч (готового продукта). Наблюдается тенденция к соединению вращающиеся печи с различными теплообменными аппаратами, что позволяет при повышении технико-экономических показателей работы печей уменьшать их размеры.

Раздел I. Расчет трехкомпонентной сырьевой смеси

1. Ввести сокращенные обозначения содержания оксидов

Таблица 1.1

Сокращенные обозначения содержания оксидов:

2. Записать уравнения для определения содержания оксидов в сырьевой смеси, исходя из предложения, что в составе шихты 1-й компонент относится ко 2-му и 3-му как ; ; 1.

3. Подставить соотношения 1.1 в формулы для вычисления коэффициента насыщения известью и кремнеземного модуля.

(1.3)

4. Принять значения коэффициента насыщения известью.

КН = 0,8…0,95. Примем КН = 0,9.

5. Принять значения кремнеземного (силикатного) модуля.

n = 1,7…3,5. Примем n = 2.

6. Ввести сокращенные обозначения и произвести расчеты.

(1.4)

(1.5)

(1.6)

(1.7)

(1.8)

(1.9)

Таким образом, система уравнений 1.3 может быть преобразована к виду:

(1.10)

7. Определить долю 1-го компонента в смеси по отношению к 3-му компоненту.

8. Определить долю 2-го компонента в смеси по отношению к 3-му компоненту.

9. Определить содержание оксидов в сырьевой смеси.

10. Определить химический состав клинкера.

11. Произвести проверку правильности выбора модульных характеристик.

Глиноземный модуль:

12. Рассчитать минералогический состав клинкера.

Раздел II. Расчет горения топлива

1. Определить теоретически необходимое количество воздуха для сжигания одного нормального м³ газа.

Согласно заданию в качестве топлива используется природный газ (трубопровод Бухара-Урал) следующего состава:

2. Определить действительное количество воздуха, подаваемого на горение.

где коэффициент избытка воздуха.

3. Определить теоретические объемы продуктов сгорания.

где влагосодержание газа при нормальных условиях.

Принимаем

4. Определить действительные объемы продуктов сгорания.

Раздел III. Материальный баланс цементной вращающейся печи для производства клинкера по сухому способу

Цель материального баланса — определение материальных потоков. В технологии производства цемента принята следующая классификация: материалы, загружаемые в печной агрегат, объединяют в расходные статьи, а выгружаемые — в приходные. Расчет материального баланса производится на 1 кг готового продукта, т. е. клинкера.

1. Расходные статьи материального баланса.

1) расход топлива при расчете материального баланса является величиной неизвестной и определяется при решении уравнения теплового баланса, т.о. выражается:

ѕ объемный расход топлива:

ѕ массовый расход топлива:

2) расход сырья:

ѕ теоретический расход сухого сырья:

ѕ расход сухого сырья с учетом безвозвратного уноса:

где унос сырья, принимается в пределах Принимаем .

ѕ расход влажной шихты с учётом безвозвратного уноса сырья:

где влажность шлама, %. Для сухого способа %;

3) расход воздуха на горение топлива для обжига 1 кг клинкера:

где плотность воздуха, кг/м³.

2. Приходные статьи материального баланса.

1) Выход клинкера:

2) Выход CO₂ из сырьевой смеси:

где содержание связей в карбонатах сухой сырьевой смеси CO₂, %; в — степень полноты декарбонизации безвозвратного уноса (примем 0,5).

где молекулярная масса веществ, г/моль;

содержание оксидов Ca и Mg в сухой сырьевой смеси, %.

Принять отношение содержания т. е. (см. I, 9):

3) Выход влаги из сырьевой смеси:

ѕ выход физической влаги:

ѕ выход химически-связанной влаги:

где содержание в сырьевой смеси, %.

4) Безвозвратный унос пыли из сырьевой смеси:

5) Количество уносимой пыли:

Возврат пыли:

6) Выход отходящих газов:

ѕ объемный расход продуктов сгорания, приходящийся на 1 кг клинкера:

ѕ массовый расход продуктов сгорания, приходящийся на 1 кг клинкера:

где плотности компонентов продуктов горения при н.у.

ѕ объемный расход технологических газов:

ѕ массовый выход технологических газов:

ѕ общий объемный выход отходящих газов:

ѕ общий массовый выход отходящих газов:

7) Предварительный материальный баланс печи на 1 кг клинкера:

Раздел IV. Тепловой баланс цементной вращающейся печи (идеальная установка) для производства клинкера по сухому способу

Целью составления данного теплового баланса является определение удельного расхода топлива, по которому судят об экономической эффективности процесса обжига. Для идеальной установки для производства клинкера по сухому способу существует минимальный температурный напор. Целесообразно считать, что этот минимальный температурный напор, то есть разность температуры продуктов сгорания и температуры материала, равное 0, находится в зоне декарбонизации.

Предполагая, что будет иметь место при температуре материала и продуктов сгорания печь условно можно разделить на две части: I часть для достижения II часть — после достижения .

Исходя из вышеизложенного, составляется тепловой баланс первой части печи, из которой определяется удельный расход топлива и второй части печи, из которой определяется температура продуктов сгорания на выходе из вращающейся печи.

1. Тепловой баланс I части печи для производства клинкера по сухому способу.

Графическое изображение теплового баланса I части печи.

a) Приходные статьи теплового баланса I части печи:

1. Количество теплоты от сгорания топлива:

Т.к. количество физической теплоты топлива, поступающего в печь незначительно, эта статья в балансе учтена не будет.

2. Количество теплоты, вносимое воздухом:

где действительное количество воздуха, подаваемого на горение, м³/м³; средняя теплоемкость воздуха, подаваемого на горение;; температура воздуха, подаваемого на горение, С.

3. Количество теплоты, вносимое сырьем:

где действительный расход сухого сырья с учетом безвозвратного уноса; теплоемкость материала,

температура материала; принята ;

4. Количество теплоты, приходящее с возвращаемой пылью:

где возврат пыли; теплоемкость уносимой пыли; для цементообжигательных печей; температура пыли на входе в I часть печи, принята ;

5. Количество теплоты, выделяемой при парообразовании клинкерных минералов при (тепло экзотермических реакций):

где 4,65; 6,2; 3,47; 1,09 — экзотермические эффекты образования силикатов, кДж/(0,01 кг силикатов);

б) Расходные статьи теплового баланса I части печи:

1. Расход тепла на эндотермические процессы декарбонизации:

где содержание оксидов и в сухой сырьевой смеси; теоретический расход сухого сырья;

2. Количество теплоты, уходящее из печи с клинкером:

где теплоемкость прокаленной сырьевой смеси; температура клинкера на выходе из печи; принимаем ;

3. Расход тепла на образование жидкой фазы при составляют по опытным данным:

4. Потеря теплоты, корпусом печи в окружающую среду. Для I части печи принято, что они составляют 10% от теплоты, затраченной на обжиг, т. е.:

5. Потери тепла с безвозвратной пылью, уносимой продуктами горения во вторую часть печи:

где — безвозвратный унос пыли (из материального баланса)

.

6. Потери теплоты с продуктами сгорания.

Определить объёмные удельные теплоёмкости компонентов продуктов горения при t отходящих газов 900С

=2.1708

=1.3806

=1.4657

=1.6969

7. Общее количество теплоты расходуемой в первой части печи:

2176.1622xt=23 458.5589

xt=0.0928

8. Составить материальный баланс:

9. Составить сводную таблицу теплового баланса первой части печи на 1 кг клинкера:

Тепловой баланс второй части печи для производства клинкера по сухому способу

Приходные статьи теплового баланса второй части печи

1. Количество теплоты с дымовыми газами при t=900С (определено при расчете ТБ первой части печи)

2027,09С.

2. Количество теплоты с безвозвратным пылеуносом (определено при расчете теплового баланса первой части печи)

50,409кДж/кг кл-ра.

3. Количество теплоты приходящее с возвращаемой пылью

[Левченко с.154]

(принято) — температура возвращающейся пыли

= 0,0038*1,06*50=0,2033 кДж/кг кл-ра.

4. Количество теплоты поступающей с сырьём

где — теплоёмкость сырья,; - теплоёмкость воды,; - расход сырьевой муки, кг./кг клинкера; - расход физической влаги сырья, кг/ кг клинкера; - температура сырья Температура сырья поступающего в печь принимается

Теплоёмкость:

— сухого сырья [Левченко, с. 171]

— воды

Расходы:

— сырьевой муки

— физической влаги сырья

1,6952−1,592=0,1032 кг/кг кл-ра.

(1,592*0,875+0,1032*4,19)*15=27,3837 кДж/кг кл-ра.

Сумма приходных статей:

= 2027,0917+50,4089+0,2033+27,3837=2105,0875 кДж/кг кл-ра.

Расходные статьи теплового баланса во второй части печи.

1). Количество теплоты с возвращаемой пылью при t=.

Определено при расчете теплового баланса 1-ой части печи.

3,6587 кДж/кг кл-ра.

2). Количество теплоты с материалами при t=(определено при расчете теплового баланса в 1-ой части печи).

1411,4708 кДж/кг кл-ра.

3). Количество теплоты с безвозвратным пылеуносом:

гдетемпература уносимой пыли;

— теплоемкость уносимой пыли при .

Температура уносимой мыли принята с последующим уточнением:

.

0,8085 кДж/кг К (3, прил. 17)

0,0567*0,8085*150=6,8732 кДж/кг кл-ра.

4).Количество теплоты с уходящими из печи дымовыми газами:

=((1,017*1,74 515+2,1684*1,5149+8,4263*1,2987+0,2213*1,3571)0,0928+0,275*1,74 515+0,1181*1,5149+0,0209*1,5149)*150=330,4214 кДж/кг кл-ра.

5). Количество теплоты на испарение физической влаги:

0,1032*2493=257,3785 кДж/кг кл-ра.

где — скрытая теплота парообразования.

6). Расход теплоты (суммарный):

=3,6587+1411,4708+6,8732+330,4214+257,3785=2103.7851 кДж/кг кл-ра.

Раздел V. Тепловой баланс цементной вращающейся печи (реальная установка) для производства клинкера по сухому способу

Графическое изображение теплового баланса I части печи.

А) Приходные статьи теплового баланса I части печи:

1. Количество теплоты от сгорания топлива:

Т.к. количество физической теплоты топлива, поступающего в печь незначительно, эта статья в балансе учтена не будет.

2. Количество теплоты, вносимое воздухом:

где действительное количество воздуха, подаваемого на горение, м³/м³; средняя теплоемкость воздуха, подаваемого на горение;; температура воздуха, подаваемого на горение, С.

3. Количество теплоты, вносимое сырьем:

где действительный расход сухого сырья с учетом безвозвратного уноса; теплоемкость материала,

;

температура материала; принята ;

4. Количество теплоты, приходящее с возвращаемой пылью:

где возврат пыли; теплоемкость уносимой пыли; для цементообжигательных печей

;

температура пыли на входе в I часть печи, принята ;

5. Количество теплоты, выделяемой при парообразовании клинкерных минералов при (тепло экзотермических реакций):

где 4,65; 6,2; 3,47; 1,09 — экзотермические эффекты образования силикатов, кДж/(0,01 кг силикатов);

Б) Расходные статьи теплового баланса I части печи:

1. Расход тепла на эндотермические процессы декарбонизации:

где содержание оксидов и в сухой сырьевой смеси; теоретический расход сухого сырья;

2. Количество теплоты, уходящее из печи с клинкером:

где теплоемкость прокаленной сырьевой смеси;

;

температура клинкера на выходе из печи; принимаем ;

3. Расход тепла на образование жидкой фазы при составляют по опытным данным:

4. Потеря теплоты, корпусом печи в окружающую среду. Для I части печи принято, что они составляют 10% от теплоты, затраченной на обжиг, т. е.:

5. Потери тепла с безвозвратной пылью, уносимой продуктами горения во вторую часть печи:

где — безвозвратный унос пыли (из материального баланса)

.

6. Потери теплоты с продуктами сгорания.

Определить объёмные удельные теплоёмкости компонентов продуктов горения при t отходящих газов 1080С

=2.23 032,

=1.40 216.

=1.48 804,

=1.74 596.

7. Общее количество теплоты расходуемой в первой части печи:

19 854,6xt=1980.984

xt=0.0998

8. Составить материальный баланс

9. Составить сводную таблицу теплового баланса первой части печи на 1 кг клинкера:

Тепловой баланс второй части печи для производства клинкера по сухому способу:

Приходные статьи теплового баланса второй части печи

1. Количество теплоты с дымовыми газами при t=900С (определено при расчете ТБ первой части печи)

2623.3491С.

2. Количество теплоты с безвозвратным пылеуносом (определено при расчете теплового баланса первой части печи)

60.4906 кДж/кг кл-ра.

3. Количество теплоты приходящее с возвращаемой пылью

[Левченко с.154]

(принято) — температура возвращающейся пыли

=

= 0,0038*1,06*50=0,2033 кДж/кг кл-ра.

4. Количество теплоты поступающей с сырьём

где — теплоёмкость сырья,

— теплоёмкость воды,

— расход сырьевой муки, кг./кг клинкера

— расход физической влаги сырья, кг/ кг клинкера

— температура сырья Температура сырья поступающего в печь принимается

Теплоёмкость:

— сухого сырья [Левченко, с. 171]

— воды

Расходы: — сырьевой муки

— физической влаги сырья

1,6952−1,592=0,1032 кг/кг кл-ра.

(1,592*0,875+0,1032*4,19)*15=27,3837 кДж/кг кл-ра.

Сумма приходных статей:

= 2623.3491+60.4906+0,2033+27,3837=2711.4267 кДж/кг кл-ра.

Расходные статьи теплового баланса во второй части печи.

1). Количество теплоты с возвращаемой пылью при t=.

Определено при расчете теплового баланса 1-ой части печи.

4.3905 кДж/кг кл-ра.

2). Количество теплоты с материалами при t= (определено при расчете теплового баланса в 1-ой части печи).

1741.1212 кДж/кг кл-ра.

3). Количество теплоты с безвозвратным пылеуносом:

гдетемпература уносимой пыли;

— теплоемкость уносимой пыли при .

Температура уносимой пыли принята с последующим уточнением:

.

0,8085 кДж/кг К (3, прил. 17)

0,0567*0,8085*150=6,8732 кДж/кг кл-ра.

4).Количество теплоты с уходящими из печи дымовыми газами:

=

((1,017*1,74 515+2,1684*1,5149+8,4263*1,2987+0,2213*1,3571)0,0928+0,275*1,74 515+0,1181*1,5149+0,0209*1,5149)*150=347,5602 кДж/кг кл-ра.

5). Количество теплоты на испарение физической влаги:

0,1032*2493=257,3785 кДж/кг кл-ра.

где — скрытая теплота парообразования.

6). Расход теплоты (суммарный):

4,3905+1741,1212+6,8732+347,5602+257,3785=2709.6371 кДж/кг кл-ра.

Заключение

В курсовой работе был рассчитан тепловой баланс вращающейся печи. Вследствие чего можно уяснить себе, по каким направлениям следует вести работу по рационализации процесса спекания с целью снизить удельный расход топлива.

· Основные статьи, из которых слагается приход тепла при работе вращающейся печи спекания, следующие:

1) приход тепла от сгорания, вводимого в печь топлива;

2) приход тепла от химических реакций, происходящих при спекании и идущих с выделением тепла (экзотермические реакция);

3) приход тепла с поступающей в печь шихтой;

4) приход тепла с поступающим в печь воздухом.

· Основные статьи, из которых складывается расход тепла, следующие:

1) тепло, расходуемое на химические реакции, идущие с поглощением тепла (эндотермические реакции);

2) тепло, расходуемое на испарение воды, выделяющейся из шихты при спекании;

3) тепло, уносимое уходящими в атмосферу нагретыми дымовыми газами, полученными от сгорания топлива;

4) тепло, расходуемое на нагрев углекислоты и влаги, выделяющихся из шихты при спекании, до температуры отходящих газов;

5) тепло, уносимое из печи пылью, нагретой до температуры отходящих газов;

6) тепло, уносимое выходящим из печи спексм;

7) тепло, отдаваемое поверхностью печного барабана, а также стенками топливной и загрузочной головок печи в окружающую среду.

Список используемой литературы

печь топливо клинкер тепловой

1. Паротеплогенерирующие установки промышленных предприятий: учеб. Пособие для вузов / Губарев А. В. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. — 240 с.

2. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности / Левченко П. В., 1968.

3. Тепловой расчет котлов (нормативный метод), 1998.

4. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н. В. Кузнецова и др., М., «Энергия», 1973. 296 с. с ил.

5. Котельные агрегаты / Рабинович О. М., М. — Л.: 1963, 448.