Теплотехнический расчет вращающейся печи

метки: Вращаться, Расчет, Температура, Сырье, Уходить, Статья, Дымовой, Труба

Под теплотехнологическим оборудованием понимают устройства, в которых развиваются и проходят тепловые процессы, обусловленные технологией производства. Главной функцией такого оборудования является использование поданной тепловой энергии для технологической обработки материала (нагрева, сушки, обжига, плавления и т.п.).

При этом обязательно происходят процессы теплообмена между энергоносителем и материалом либо непосредственно (контактный теплообмен), либо через промежуточную стенку. Поэтому, чтобы теплотехнологическое оборудование выполняло свою функцию, необходимо чтобы температура теплоносителя была эффективной, то есть такой, чтобы обеспечивать действительно существующий в реальных условиях теплообмен.

Все теплотехническое оборудование по потенциалу теплоносителя можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. Наибольший интерес вызывают высокотемпературные установки (t от 1000 °С до 2500 °С), называемые печами, так как они являются главными энергопотребителями. Назначение промышленных печей — тепловая обработка материалов и изделий с целью придания им определенных свойств, необходимых для конечного продукта или для дальнейшей обработки. На современных предприятиях их используют в различных отраслях производства строительных материалов и др.

Задание на проектирование.

Необходимо выполнить технологический и теплотехнический расчеты печи, построить графики теплового режима установки и подобрать необходимое технологическое оборудование.

Исходные данные для расчета печи:

• вид печной установки: вращающаяся печь;
• выпускаемая продукция и способ производства: цемент, сухой способ, с циклонными теплообменниками;
• производительность печи, тыс. т/год: 450;
• газопровод: Промысловка-Астрахань.

1. Описание тепловой установки

Во вращающихся печах получают преимущественно цементный клинкер путем обжига мокрых сырьевых смесей (шлама) и сухих. К преимуществам мокрого способа обжига относится простота приготовления сырьевой смеси, легкость достижения ее состава, малые энергозатраты и гигиенические условия труда. Но главным недостатком этого способа является большой расход топлива. При сухом способе достигается экономия топлива, но вместе с этим усложняется приготовление сырьевой смеси и, следовательно, увеличиваются энергозатраты.

Во вращающихся печах можно обжигать различные материалы: известь, шамот, магнезит, доломит и др. Печи отличаются также разнообразием конфигураций и объемом рабочего пространства, различными конструкциями внутренних теплообменников и запечных теплоутилизаторов. Поэтому вращающиеся печи классифицируются следующим образом.

История литейного оборудования (производства)

... сталелитейный завод начинает свою историю с 1941 года, когда в здании склада был открыт литейный цех, оснащенный эвакуированным оборудованием. После организации литейного производства цех стал филиалом ... других стран. Литейные автоматы и литейное оборудование в 70-е годы: 1970 г. Изготовлена базовая модель встряхивающе-прессовых формовочных установок Н2041. 1973. На международной выставке ...

Первый вид. Вращающиеся печи, работающие по мокрому способу обжига:

• а) мощные печи с отношением L/D?30 (где L — длина печи, м, D — диаметр печи, м) с внутренними теплообменниками без запечных теплоутилизаторов;

• б) печи с отношением L/D<30, без внутренних теплообменных устройств с запечными теплоутилизаторами;

• в) печи с отношением L/D<30 без запечных утилизаторов тепла с внутренними концентраторами шлама.

Второй вид. Вращающиеся печи, работающие по сухому способу обжига, оборудованные:

• а) конвейерными кальцинаторами;
• б) циклонными теплоутилизаторами;
• в) пневмозмеевиками или винтовыми теплоутилизаторами;
• г) вакуум-фильтрами шлама.

Основной частью вращающихся печей является стальной слегка наклонный барабан с приводом, облицованный изнутри огнеупором и опирающийся через бандажи на роликоопоры. Вращающийся барабан состоит из отдельных колец (обечаек), изготовленных из стальных листов толщиной от 32 до 120 мм. Обечайки сварены между собой встык кольцевыми швами, каждая обечайка имеет один или два сварочных шва. Наиболее нагружены обечайки, на которые надеты опорные бандажи, — их толщина примерно в два раза больше других. Примерно в середине барабана на него надето венцовое колесо, соединенное через редуктор с электродвигателем. Этот механизм представляет собой привод печи. Опорные устройства вращающихся печей состоят из бандажей и роликов, установленных на фундамент.

Холодный конец печи соединяется через уплотняющее устройство с загрузочной камерой, на которой крепится питательная труба. Загрузочная камера служит также для подогрева материала. Горячий конец печи соединяется с выгрузочной камерой, которая называется откатной головкой. Ее основание имеет колеса (скаты) и по рельсам головку можно откатывать для производства ремонта футеровки корпуса. В головке располагается горелка для сгорания топлива. В днище головки имеется выгрузочное устройство. Места соединения корпуса с пыльной камерой и горячей головкой уплотняются специальными устройствами при помощи лент и тросов. Их назначение — сократить подсосы холодного воздуха до минимума. Загрузочная камера через газоочистительную камеру соединяется с дымососом, направляющим отработанные дымовые газы в дымовую трубу.

Благодаря наклону и вращению печи, смесь перемещается вперед, располагаясь внутри в виде сегмента и непрерывно при этом, пересыпаясь, что обуславливает хорошее перемешивание слоя материала, нагреваемого печными газами. В результате этого движения происходят тепловые и физико-химические преобразования материала, приводящие к образованию цементного клинкера.

К особенностям вращающихся печей относится трудность управления технологическим процессом, вследствие воздействия на него посторонних факторов, искажающих ход обжига. Причем искажения, возникающие в процессе обжига, равны, а часто и превосходят искажения, вызванные органами управления печным агрегатом. Кроме этого, зачастую они становятся неконтролируемыми.

2. Расчетная часть

2.1 Технологический расчет печи

Количество часов работы печи в году:

час/год

где — коэффициент использования оборудования.

Часовая производительность завода:

кг/ч

Задаемся удельным съемом продукта с одного м ³ печи для обжига цемента по сухому способу (с циклонами) g_v =40 кг/ч.

Рассчитываем полезный объем печи:

м ³

Определяем суточную производительность завода:

кг/сут.

Принимаем вращающуюся печь II (влажность гранул 3%):

Производительность: 650-720 т/сут.

Размеры печи: диаметр — 3,8 м.

длина корпуса — 53 м.

Уклон — 4 %.

Рабочий объем -480 м ³ .

Температура уходящих газов — 200-300 ^о С.

Удельная производительность — 36-39 кг клинкера/м ³ ·ч.

Тип холодильника — колосниковый.

Число печей, подлежащих установке на заводе:

Таблица 1. Распределение тепловых зон по длине барабана вращающейся печи

Тепловая зона	Длинные	печи
	%	м
Испарения	—	—
Досушки	19	10,07
Дегидратации	18	9,54
Декарбонизации и подогрева	40	21,2
Экзотермических реакций	10	5,3
Спекания	8	4,24
Охлаждения	5	2,65
Всего	100	53

2.2 Расчет температуры и продуктов горения топлива

Целью данного расчета является проверка возможности обеспечения требуемой температуры обжига материала. Для выполнения расчета выбираем вид топлива, его месторождение, выписываем его состав и свойства:

• газопровод: Коробки-Волгоград (I нитка),
• теплотворная способность топлива: кДж/м ³ ,

• теоретический объем воздуха: м ³ /м³ ,

• теплоемкость воздуха: кДж/(м ³ ·^о С),

• теоретический объем дымовых газов: м ³ /м³ , м³ /м³ , м³ /м³ , м³ /м³ .

Средняя теплоемкость дымовых газов определяемая в зависимости от температуры обжига материала t _ОБЖ =1400 ^о С:

кДж/(м ³ ·^о С), кДж/(м³ ·^о С), кДж/(м³ ·^о С),

кДж/(м ³ ·^о С), кДж/(м³ ·^о С)

Получение теплоносителя заданной температуры осуществляется путем сжигания топлива и смешения продуктов сгорания с газами, дополнительно вводимыми в зону горения. Таким газом может быть воздух.

Для обжига кусковых и сыпучих материалов коэффициент избытка воздуха в зоне горения топлива рассчитывают:

• где =0,75 — пирометрический коэффициент; t _в =700 ^о С — температура поданного на горение воздуха:

м ³ /кг

Результаты расчетов действительных объемов продуктов сгорания сводим в табл. 2. Расчеты ведем на 1 м ³ (при нормальных условиях) природного газа.

Таблица 2. Объем продуктов сгорания

Величина и ее размерность
Действительный объем воздуха, идущего на горение, м 3 /кг
Действительный объем водяных паров, м 3 /кг
Действительный объем дымовых газов, м 3 /кг
Объемная доля трехатомных газов
Объемная доля водяных паров
Суммарная объемная доля

Начальная энтальпия продуктов горения:

Для определения действительной температуры горения топлива t _д по диаграмме находим энтальпию продуктов сгорания за вычетом теплоты, теряющейся в окружающей среде:

при этом t _д =1750, т.к. действительная температура горения выше, чем необходимая температура обжига, то выбранное топливо пересматривать не надо.

2.3 Материальный баланс

Материальный баланс представляет собой соотношение между поступающим материалом в печь и выходящим из печи. Он составляется перед тепловым балансом для определения количества сырья необходимого для получения 1 кг продукта, поэтому расчет ведем на 1 кг готовой продукции. Сначала рассчитываем предварительный материальный баланс, который содержит некоторые неизвестные величины, а затем, после нахождения этих величин из уравнения теплового баланса, получаем окончательные значения статей материального баланса.

Расходные статьи. Расход топлива:

0,095кг

где x ^T =0,122 м³ /кг — принимаем из теплового баланса.

Теоретический расход сухого сырья:

кг

где П=35% — потери при прокаливании; % — коэффициент уноса материала.

Расход шлама:

кг

где щ=3 % — влажность шлама.

Расход воздуха: кг

Приходные статьи: выход клинкера 1 кг.

Выход углекислоты:

кг

Выход влаги сырья:

кг

Выход гидратной воды сырья:

кг

где количество Al ₂ O₃ =3,2% — принимаем по составу шлама.

Количество уходящих газов из топки:

кг

где с ^Г =1,3 кг/м³ — средняя плотность дымовых газов.

Материальный баланс обжига 1 кг цементного клинкера сводим в табл. 3.

Таблица 3. Сводный материальный баланс обжига 1 кг цементного клинкера

Приходные статьи	Количество, кг	Расходные статьи	Количество, кг
Выход клинкера	1	Расход топлива	0,095
Выход углекислоты	0,557	Расход шлама	1,64
Выход влаги сырья	0,05	Расход воздуха	2,29
Выход гидратной воды сырья	0,018
Уходящие газы	3,24
Итого:	3,865	Итого:	4,025

Невязка: 3,9 %.

Разницу между расходом и приходом материала принимаем как пылеунос.

2.4 Тепловой баланс и КПД печи

Расход топлива в печах должен обеспечивать получение теплоты для обжига строительных изделий и материалов, а также восполнять тепловые потери, сопровождающие работу печи. Соотношение, связывающее приход с расходом теплоты в печи, называют тепловым балансом. При обжиге сыпучих материалов его составляют на 1 кг готового продукта. Во вращающихся печах четкого разделения по зонам нет, поэтому тепловой баланс составляется полностью на всю печь.

Экономичность работы печей характеризует коэффициент полезного действия установки. Он представляет собой отношение полезно затраченной теплоты к поступающему теплу от горения топлива. Полезно используемая теплота идет на нагрев сырья до температуры обжига и на сам процесс обжига.

Приход тепла. От сгорания топлива:

кДж/кг

где x ^T = 0,122м³ /кг — удельный расход топлива.

Вносимого шламом:

кДж/кг

где с _М =0,78 кДж/(м³ ·^о С) — теплоемкость материала, принимаем по таблице П8 при t_М =20 ^о С — температура материала, поступающего в печь.

С присосами воздуха:

кДж/кг

где t _нв =30 ^о С — начальная температура воздуха; V_в — количество воздуха, необходимо для сгорания 1 кг топлива, м³ , находят из расчета горения; с_В =1,31 кДж/(м³ ·^о С) — теплоемкость воздуха, в зависимости от t_В =250 ^о С — температура воздуха, идущего на горение топлива, принимают равной температуре уходящих газов t_У.Г .

От экзотермических реакций цементного клинкера:

кДж/кг

Расход тепла. На диссоциацию Ca CO ₃ :

кДж/кг

где Ca CO ₃ =0,547 кг — доля вещества, содержащаяся в материале;

кДж/кг — количество теплоты, выделившейся при диссоциации Ca CO ₃ .

На испарение влаги:

кДж/кг

где r _вл =2500 кДж/кг — скрытая теплота парообразования влаги.

С уходящими газами:

кДж/кг

где м ³ /кг — при t_У.Г =250 ^о С — температура уходящих газов, определяют по характеристике печи; м³ — объем СО₂ , выделившегося при диссоциации Ca CO₃ ; кДж/(м³ ·^о С) — теплоемкость СО₂ .

На нагрев материала до температуры обжига:

кДж/кг

С пылеуносом:

кДж/кг

где n=0,015 кг — доля уноса пыли от общей массы; с _П =1,06 кДж/(м³ ·^о С) — теплоемкость уносимой пыли.

В окружающую среду:

кДж/кг

где м ² — площадь теплоотдающей поверхности корпуса печи; Вт/(м² ·^о С) при t_НП =40 ^о С — суммарный коэффициент теплоотдачи для вращающихся печей; t_ОВ =15 ^о С — температура окружающей среды.

На образование жидкой фазы; по опытным данным, для цементного клинкера:

кДж/кг

Составляем уравнение теплового баланса на 1 кг получаемой продукции и на основе его определяем удельный расход топлива x ^Т , м³ /кг.

35040 x ^Т +649,04x^Т -4175·x^Т +163,1 =

=1739,7+125+1765,3+10,66+209+1401,6·x ^Т +11,8-33,2+4,2

30112,4 x ^Т =3691,62

x ^Т =0,122 м³ /кг

Значение расхода топлива подставляем в статьи материального и теплового балансов. Приходы и расходы тепла сводим в общую таблицу теплового баланса (табл. 4).

Таблица 4. Тепловой баланс печи на 1 кг продукта

Приходные статьи	Количество тепла	Расходные статьи	Количество тепла
	кДж	%		кДж	%
От сгорания топлива	4274,88		На диссоциацию CaCO 3	1739,7
Вносимого шламом	33,2		На испарение влаги	125
С присосами воздуха	71,4		С уходящими газами	672,4
От экзотермических реакций цементного клинкера	449		На нагрев материала до температуры обжига	1865,3
			С пылеуносом	4,2
			В окружающую среду	10,66
			На образование жидкой фазы	209
			С химическим и механическим недожогом	171
			На разложение M g CO3	11,8
Итого:	4828,48	100	Итого:	4818,8	100

Невязка: , что не превышает 0,5%, значит тепловой баланс печи составлен верно.

Удельный расход условного топлива находят по формуле:

%

Коэффициент полезного действия печи для обжига цементного клинкера будет:

2.5 Расчет температур на границах технологических зон и построение кривой обжига

Для построения кривой температур обжига печь разбиваем на участки и составляем диаграмму Гросмана-Шаргуфа (зависимость энтальпии уходящих газов из тепловых зон I _ГЗ , кДж/ч, от длины печи L, м. Далее строим график зависимости энтальпии газов покидающих тепловую зону I_ГЗ , кДж/ч, от температур газов в тепловой зоне , ^о С, которые принимаем произвольно (=800 и =1500), используя эти значения температур, определяем энтальпию газов покидающих тепловую зону I_ГЗ , кДж/ч, по формуле:

, кДж/ч

где — температура газов в тепловой зоне, принятая величина, ^о С; , кДж/(м³ ·^о С) — средняя теплоемкость газов.

Таблица 5

Тепловая зона вращающейся печи	Энтальпия газов, кДж/кг
	Обжиг клинкера
	Формула	Расчет
Охлаждения и спекания		35040•0,122-200- -10,66(2,65/53)=4074,377
Экзотермических реакций		4074,377-833-10,66(5,3/53)= =3240,311
Декарбонизации и подогрева		3240,311-1705- -10,66 (21,2/53)=1531,05
Дегидратации		1531,05-515-10,66(9,54/53)=1014,13 =1546,65
Досушки		1014,13-125-129- -10,66 (10,07/53)=758,22

При ^о С.

кДж/ч.

При ^о С.

кДж/ч.

Находим искомую температуру уходящих газов для построения кривой обжига, значения температур сводим в таблицу 6.

Таблица 6. Температуры газов

Технологическая зона	Температура материала, о С	Температура газов, о С
	Начало зоны	Середина зоны	Конец зоны	Начало зоны	Середина зоны	Конец зоны
Досушки	100	175	250	294	350	400
Дегидратации	250	375	500	400	510	589
Декарбонизации и подогрева	500	725	950	589	890	1182
Экзотермических реакций	950	1150	1350	1182	1310	1440
Спекания	1350	1400	1450	1440	1450	1460
Охлаждения	1450	1400	1350	1460

2.6 Аэродинамический расчет печи, подбор вспомогательных устройств и оборудования

Аэродинамический расчет выполняется для создания правильного режима движения газовых потоков, следовательно, для соблюдения заданного температурного режима печи. А также для подбора транспортирующих и обеспыливающих устройств дымовых газов. К оборудованию печей относятся горелочные устройства, которые обеспечивают необходимый расход топлива для обжига строительных изделий и материалов.

А) Выбор тягодутьевого оборудования и обеспыливающих устройств.

Для подбора дымососа рассчитывают объемный расход газов на выходе из печи:

м ³ /ч.

Так как температура газов на выходе из печи снижается за счет подсосов холодного воздуха и потерь в окружающую среду примерно на 10%, то объемный расход газов перед дымососом составит:

м ³ /ч,

где =1,8 и =1,1 — соответственно коэффициент избытка воздуха в дымоходе и печи.

Необходимая подача дымососов с запасом 20%:

м ³ /ч.

Аэродинамическое сопротивление печи:

Па,

где — коэффициент трения, зависящий от отношения длины печи и ее диаметра;

• коэффициент сопротивления цепной завесы.

Скорость газов в холодной части печи:

м/с,

где ц=0,1 — коэффициент заполнения печи.

Плотность газов при температуре уходящих газов:

кг/м ²

Для расчета общего гидравлического сопротивления печной установки необходимо учесть гидравлическое сопротивление пыльной камеры 100 Па; газоходов 80 Па к дымососу; 90 Па к трубе; электрофильтров 225 Па.

Следовательно,

Па,

где — сумма потерь давлений в перечисленных устройствах.

С учетом запаса давления (примерно 20%) общее гидравлическое давление создаваемое дымососом, должно быть:

Па.

В зависимости от объемного расхода V _УГД и давления Р_ПУ подбирают дымососы и выписывают их характеристики.

Марка дымососа: ДН-24Ч2-0,62.

Производительность: 375000 м ³ /ч.

Напор: 3,93 кПа при t=100 ^о С.

КПД: 84%.

Масса без электродвигателя: 18300 кг.

Марка электродвигателя, мощность: ДА302-16-54-8У1 (630 кВт).

Очищенные уходящие газы от вращающейся печи удаляются дымососами через дымовую трубу. Диаметр устья дымовой трубы определяют:

м.

где м/с — скорость дымовых газов на выходе из трубы.

Расчетный диаметр =2,6 м и высоту трубы Н=120 м в соответствии с требованиями СНиП. Диаметр основания трубы рассчитываем:

м.

где i=0,02 — средний уклон внутренних стен трубы.

Для очистки избыточного воздуха от пыли используют циклонные батареи. Принимаем скорость движения воздуха в циклоне v _ц =5 м/с и рассчитываем площадь сечения циклонов:

м ²

Количество избыточного воздуха при температуре 0,8·t _УГ :

м ³ /ч

Исходя из величины , принимаем тип устанавливаемых в батарею циклонов и выписываем его характеристики:

производительность: 12800 м ³ /ч;

диаметр циклона: D _Ц =1000 мм;

• тип циклона: ЦН-24;

угол наклона входного патрубка к крышке циклона: 24 ^о ;

высота:

входного патрубка: 1,11 м,

конуса циклона: 1,75 м,

выхлопной трубы с фланцем: 2,11 м,

цилиндрической части корпуса: 2,11 м,

внешней части выхлопной трубы: 0,4 м,

общая циклона: 4,25 м;

• коэффициент гидравлического сопротивления: =588 Па.

Общее количество циклонов в батарее:

шт., принимаем k=17 шт.

Из циклонов избыточный воздух отбирается дымососом. Сопротивление батареи циклонов составит:

Па

Сопротивление воздуховодов принимают примерно 260 Па. Таким образом, необходимое давление дымососа с запасом 15% составит:

Па

Для очистки дымовых газов применяют электрофильтры. Их выбирают в зависимости от расхода газового потока VУГД:

• Тип фильтра: ЦГ-24-33-1;
• число секций: 1;
• число полей: 3;
• производительность: 288000 м3/ч;
• размеры, мм: 21Ч9Ч12,1мм;
• диаметр входного и выходного отверстий: 5,8Ч8 мм.

Воздух на горение топлива подается в топку дутьевым вентилятором, напор которого можно принять Па. Производительность вентилятора определяем:

м ³ /ч.

Подбираем вентилятор марки ВДН и выписываем его характеристики:

марка: ВДН-18

производительность: 152•10 ³ м³ /ч;

• давление: 3,94 кПа;
• частота вращения: 980 об/мин;
• КПД: 0,86.

Б) Выбор газогорелочного устройства.

Для сжигания природного газа в горячих головках вращающихся печей применяют простые прямоточные одноканальные или двухканальные горелки, регулируемые одноканальные вихревые (ГВП) и регулируемые реверсивные горелки (ВГП).

Рассчитывают газовую горелку в зависимости от расхода газа:

м ³ /с.

Давление газа на выходе из горелки должно быть не менее 101 кПа, а скорость истечения v=210 м/с. Тогда диаметр сопла будет:

м.

Библиографический список

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-vraschayuscheysya-pechi/

1. Теплотехнические расчеты установок стройиндустрии: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / Сост. Н.М. Веселова, В.М. Фокин, ВолгГАСА. — Волгоград, 2003.-82 с.