Определение основных размеров печи

6. Определение основных размеров печи

 

1. Диаметр барабанной печи, м определяем из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи

.

При принятом пылевыносе из печи 20 % средняя скорость газов должна быть умеренной. Принимаем ее равной 5 м/с.

Производительность печи по спеку составляет 16 т/ч , а по бокситу равна

 т/час

где m_сп - выход спека из боксита (см. табл. 13).

Среднее время пребывания шихты в печи может быть определено как

t=1/G_сп=1/12,422=0,081 ч.

Объем газообразных продуктов горения топлива определяем из выражения

V_д=q¢V_am_cп/Q_н^р

где q – удельный расход теплоты на 1 т спека. По опытным данным можно принять равным 5860 кДж/кг.

Тогда м³.

Общее количество отходящих газов из печи равно сумме продуктов сгорания и технологических газов (см. табл. 15) и составляет

V_å=V_Д+V_H2O+V_CO2, м³.

В соответствии с данными материального баланса процесса спекания (см. табл. 17)

V_å=м³.

где 0,804 и 1,97 - плотность соответственно Н₂О и СО₂, кг/м³.

Расход отходящих газов с учетом среднего времени пребывания материалов в печи составит

 м³/с.

С учетом средней температуры газов в печи °С общий расход отходящих газов составляет

 м³/с.

Тогда в соответствии с формулой (1)м.

Принимаем D = 5 м.

При использовании двухслойной футеровки, состоящей из высокоглиноземистого кирпича размером 250 мм и слоя тепловой изоляции 30 мм при толщине стенки кожуха 20 мм, наружный диаметр печи будет равен D_печи=5+0,25×2+0,03×2+0,02×2=5,6 м.

Длину зоны сушки рассчитываем в соответствии с выражением

Производительность печи по шихте составляет

G_ш=т/час.

Исходную влажность шихты определяем по данным материального баланса (см. табл. 17)

,

а величину конечной влажности принимаем W"=0.

С учетом способа загрузки (распыл) напряжение рабочего пространства сушильной зоны по влаге принимаем равным 0,08 т/(м²ч). Таким образом, длина зоны сушки составляет

м.

Определяем длину зоны подогрева по формуле:

В этой зоне удаляют связанную воду; шихту подогревают до температуры 750 °С. Температуру газов на входе в зону принимаем равной 1250 °С. Унос материала из зоны равен 25 % от общего пылеуноса. Тогда теплоту, поступающую в зону подогрева, затрачивают:

• на нагрев шихты до 750 °С

0,96×(322,5– 165,98 – 41,95×0,25)×(750 - 150)=84114,72 кДж=84,114МДж

где 0,96 - теплоемкость шихты, кДж/(кг • К);

• на испарение влаги и нагрев паров воды

11,55×(2257+)=36945 кДж=39,645 МДж

где 0,376×4,1868 - теплоемкость паров воды, кДж/(моль×К);

2257 - удельная теплота испарения воды, кДж/кг;

• на подогрев пыли до 750 °С

0,96×41,95×0,25(750 - 150)=6040,8 кДж=6,041 МДж;

• на разложение гидроксида алюминия диаспора и бемита по реакции

2Аl(ОН)_з = Аl₂О_з + ЗН₂О - 2580 кДж

57,11×2580 = 147343,8 кДж=147,343 МДж;

• на разложение каолинита по реакции

Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O= Al₂O₃×2SiO₂+2H₂O - 934 кДж

7,22×934 = 6743,48 кДж=6,743 МДж;

• на разложение гидрогематита по реакции

Fe₂O₃×3H₂O= Fe₂O₃+3H₂O - 3840 кДж

6,66·3840= 25574,4 кДж= 5,574МДж.

Тепловой эффект обезвоживания алюмосиликатов принимаем по выражению

;

где m_1p, m_2p, m_Fe - расходы гиббсита, каолинита и гидроксида железа; M_1p^H2O, M_2p^H2O,M_Fe^H2O - молекулярные массы гибсита, каолинита и гидроксида железа; t_1p, t_2p, t_Fe - температуры протекания соответствующих реакций: 750 -температура газов, выходящих из зоны подогрева. В соответствии со справочными данными устанавливаем t_1p=550°С; t_2p=450°С; t_Fe=400°С. Тогда

14358,64 кДж=14,359 МДж.

В итоге теплопотребление в зоне подогрева составит

Qп=84114,72+39645,01+6040,8+147343,8+6743,48+25574,4+14358,64=

=323820,85 кДж=323,8 МДж

Ширину слоя (хорда l_х) и контактную поверхность его с барабаном (1_q) определим исходя из соотношений размеров сегмента материалов в поперечном сечении участка. Из практических данных принимаем центральный угол в зоне подогрева 82,5°. Тогда

l_x=D_пsinα/2=5·sin(82,5/2)=3,296 м.

L_q=πD_пsinα/360=3,14·5·82,5/360=3,598 м.

Эффективную длину лучей газового потока определяем по формуле

где S_пер.- периметр свободного сечения печи, м.

S_nep==

=

По практическим данным для зоны подогрева можно принять коэффициент заполнения барабана печи φ= 5,6 - 8,0 %. Выбираем φ = 6,8 %.

Тогда м.

Определим состав газов по зонам.

Согласно данным расчета процесса горения топлива, в продуктах сгорания 100 м³ газа присутствует 98,9 м³ СО₂; 194 м³ Н₂О; 794,3 м³ N₂; 15,6 м³ О₂. Для зоны спекания состав газов соответствует составу продуктов сгорания топлива,

т. е. СО₂=8,968 %; Н₂О=17,592 %; N₂=72,026 %; О₂=1,415 %.

В зоне кальцинации полностью разлагаются карбонаты. Тогда объем газов от горения топлива при его расходе 25 % от веса сухого боксита (практические данные) составит 1102,8·0,25=275,7 м³.

С учетом объема СО₂, выделившегося при разложении карбонатов (см. табл. 15) в количестве 14,08 м³, общий объем газов в зоне кальцинации составит 14,08+275,7=289,78 м³. Средний объем газов в зоне кальцинации равен 275,7+0,5·14,08=282,74 м³. Тогда состав газов в зоне кальцинации будет следующим:

%;

%;

%

%

В зоне подогрева в газовую фазу переходит 11,55 кг Н₂О из исходной шихты, или 11,55·22,4/18=14,37 м³.

Общий объем газов в конце зоны подогрева составит 282,74+14,37=297,11м³.

Средний объем газов равен 282,74+0,5·14,37=289,925 м³.

Содержание компонентов в газах зоны подогрева равно

%;

%;

%;

%

В зоне сушки в газовую фазу переходит из шихты внешняя влага в количестве 154,6 кг, или 154,6·22,4/18=192,391 м³. Общий объем газов в конце зоны равен объему отходящих газов, т.е. 192,391+297,11=489,504 м³. Средний объем газов в зоне составляет 192,391·0,5+297,11=393,31 м³. Тогда состав газов в зоне сушки таков:

%;

%;

%;

%

Среднюю температуру газов в зоне подогрева находим по формуле логарифмического усреднения между газами и материалом

Здесь t_г^н=1250°С; t_г^к=750°С; t_ш=450°С,

˚С

Степень черноты СО₂ и Н₂О находим по графикам

При P_СО2S_эф =0,1338·7,74·101,325=101,27 кПа·м

t_Г=960°C; ε_CO2=0,2

Р_H2OS_эф=0,1921·7,47·101,325=145,4 кПа·м;

t_Г=960°С; ε΄_H2O=0,35; ε_H2O=1,8·0,35=0,63;

ε_Г=0,2+0,63=0,83.

Степень развития кладки в зоне подогрева составляет

Вт/(м²·К⁴).

Определяем величину теплового потока излучением:

 Вт/м².

Средняя скорость движения газов в зоне подогрева равна

м/с;

тогда конвективный тепловой поток составит величину

q_k=10,476·0,87(960-450)=4648,2 Вт/м².

Средняя температура кладки составит t_k=(960+273)/2=705°С. Тогда

Вт/м².

Длина зоны подогрева составит

м.

В зоне кальцинации начальную температуру газов принимаем t_г^н=1400°С; конечную температуру газов t_г^к=1250°С; температуру шихты t_ш=875°С. Средняя температура газов в зоне равна

 ˚С.

Средняя температуpa кладки в зоне составляет

 t_к=(1320+875)/2=1100 °С.

Состав газов в зоне кальцинации (в соответствии с предыдущими расчетами): 11,23% СО₂; 17,15% Н₂O.

В зоне кальцинации происходит термическое разложение карбонатов, натриевого алюмосиликата, образование основной массы (до 90 %) алюмината и феррита натрия и двухкальциевого силиката, появляется небольшое количество жидкой фазы. Температура шихты на выходе из зоны достигает 1000°С, температура газов на входе в зону - 1400 °С. Унос пыли составляет 25 % от общего пылеуноса.

Теплопотребление в зоне кальцинации по статьям идет:

• на нагрев шихты (спека) до 1000 °С

0,88·128,8·(1000-750)·16=453376 кДж=453,4 МДж,

где 0,88 - теплоемкость спека, кДж/(кг·К);

• подогрев пыли до 1250 °С

 096·41,95·(1250-750)·16=322176 кДж=322,2 МДж,

где 0,96 - теплоемкость пыли, кДж/(кг·К);

• нагрев технологических газов (СО₂) до 1250 °С

2,202·14,37·(1250-750)·16=253141,9 кДж=253,14 МДж;

• разложение карбонатов. При этом количество СаСО₃ (молекулярная масса - 100) в шихте (в известняке и боксите) (табл. 17) через СаО (молекулярная масса - 56) равно

Тогда в соответствии с уравнением

СаСО_з=СаО+СО₂ - 178000 кДж

затраты тепла составят

(4+5,365)·16(100/56)·(178000/100)=476277,1 кДж=476,3 МДж.

Количество Na₂CO₃ (молекулярная масса - 106) в шихте (в соде и оборотном растворе) через Na₂O (молекулярная масса – 62) равно

Тогда в соответствии с уравнением

Na₂CO₃ =Na₂O+СО₂ - 322000 кДж

затраты тепла будут равны

=2791220,65 кДж=2791,22 МДж.

При разложении натриевого алюмосиликата количество Na₂O·Аl₂О₃·2SiО₂ (молекулярная масса - 284) на 1 тонну шихты рассчитывают по SiO₂ (молекулярная масса - 60) в белом шламе:

0,66·284·16/(2·60)=24,9 кг.

Ввиду отсутствия экспериментальных данных по тепловому эффекту разложения этого соединения принимаем, что он равен тепловому эффекту реакции разложения Na₂O·Аl₂Оз·2SiО_2. Тогда принимаем

Na₂O·Аl₂Оз·2SiО₂=Na₂O+Аl₂О₃+2SiO₂ - 261000 кДж;