Стекловаренная печь

1.Назначение печи.

В данном курсовом проекте будет рассмотрена ванная печь непрерывного действия. Тип печи-регенеративная ,проточная с подковообразным направлением пламени. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком.

Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя герметизированными загрузочными карманами ,расположенными по ее боковым сторонам.

Варочный бассейн печи отапливается природным газом. Для отопления варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части.

Удаление дымовых газов из варочного бассейна стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, отсечным, поворотным шиберами и металлической дымовой трубой при помощи основного и резервного дымососов ДН-9У.

Для использования тепла отходящих дымовых газов, печь оборудована регенераторами с насадкой типа «Лихте» с ячейками 170х170.

Тепло отходящих газов используется также в котле-утилизаторе.

Производительность печи-70 тонн в сутки.Вырабатываемый ассортимент-бутылка из темнозеленого стекла.

2.Обоснование производительности.

Тип печи-регенеративная, проточная с подковообразным направлением пламени. Производительность печи-70 тонн в сутки. Форма и размеры выработочного бассейна приняты конструктивно из условия размещения одной машинолинии АЛ-118-2 (восьми секционная, двух-капельная). Автомат обслуживается одной бригадой из трех человек в смену(два машиниста и один наладчик стеклоформующей машины). Всего смены три. Вырабатываемый ассортимент- бутылка из темнозеленого стекла. Масса бутылки- 340 грамм. Количество резов составляет-80(в минуту). Коэффициент использования стекломассы (КИС)-0,95.

Данная стекловаренная печь предусматривает эффективную тепловую изоляцию стен и дна бассейна, стен пламенного пространства, горелок, сводов варочного, выработочного бассейнов, горелок и регенераторов, что заметно увеличит производительность стеклотары на данном участке производства.

3.Выбор удельного съема и расчет основных геометрических размеров печи.

Химический состав стекла:

SiO₂-72 %

Fe₂O₃+AL₂O3-2,3 %

Na₂O+К₂О-14%

CaO+MgO-11,5%

SO₃-0,2%

Максимальная температура варки-1500˚C

В температурном интервале от 23 до 1500˚С вязкость стекол изменяется на 18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 10¹⁹ Па с, в расплавленном состоянии-10 Па с. Температурный ход вязкости показан на рисунке. При низких температурах вязкость меняется незначительно. Наиболее резкое снижение вязкости происходит в интервале 10¹⁵-10⁷ Пас.

Кривая температурного хода вязкости.

Определяем основные размеры рабочей камеры.

Площадь варочной части печи, м²:

F=G* 10³/g;

Где G-производительность печи, кг/сутки;

g-удельный съем стекломассы с зеркала варочной

части, кг/(м²*сут).

Принимаем g=1381 кг/(м²*сут.).

Тогда F=70000/1381=50,68 м².

Длина варочной части для печи с подковообразным направлением пламени рассчитывается из соотношения

L:B=1,2:1

L:B=1,2

L*B=50,68

1,2*х*х=50,68

х2=50,68:1,2

х=6,5м (ширина B)

6,5*1,2=7,8 м (длинаL)

Соотношение длины и ширины L/B=7,8/6,5=1,2

Ширина пламенного пространства на 120 мм больше ширины бассейна, т.е. 6,5+0,12=6,62 м

Высота подъема свода f=6,62/8=0,83 м.

Длина пламенного пространства 7,8+0,2=8 м.

Глубина бассейна: студочного мм , варочного мм.

Площадь студочной части при температуре варки 1500С принята равной площади варочной части:Fст= 50,68м².

Ширина студочной части составляет 80% ширины варочной части: 6,5*0,8=5,2 м. Принимаем ширину загрузочных карманов (6,5-0,9)/2=2,8 м, где 0,9 м – ширина разделительной стенки. Длина загрузочного кармана 1 м.

4.Обоснование распределения температур в печи.

Термический процесс, в результате которого смесь разнородных компонентов образует однородный расплав, называется стекловарением.

Сыпучую или гранулированную шихту нагревают в ванной печи, в результате чего она превращается в жидкую стекломассу, претерпевая сложные физико-химические взаимодействия компонентов, происходящие на протяжении значительного температурного интервала.

Различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).

Отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной последовательности по длине печи и требуют создания необходимого температурного режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени. Распределение температур по длине и ширине ванной печи зависит от свойств стекла и условий варки. При варке темнозеленого стекла температура в начале зоны варки (у загрузочного кармана) 1400-1420˚С, так как в этой части бассейна печи происходят нагрев, расплавление и провар шихты, т. е. завершение стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление стекломассы. Температура стекломассы у загрузочного кармана 1200-1250˚С. В зоне осветления температура газовой среды поддерживается максимальной-1500˚С, так как при такой температуре вязкость стекломассы снижается, происходит интенсивное осветление и завершается гомогенизация. В зоне студки температура газовой среды плавно понижается до 1240˚С, что приводит к увеличению вязкости стекломассы. В зоне выработки температурный режим устанавливается в зависимости от требований, необходимых для нормальной выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.

Для установления стационарного температурного режима газовой среды в печи необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подаваемого в печь, тщательно их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы.

Возможность установления определенного температурного режима предусматривается конструкцией ванной печи.

На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей камере печи. Повышение давления до определенных пределов способствует более равномерному прогреву отдельных частей печи, так как объем рабочей камеры максимально заполняется пламенем. Создание разряжения в печи приводит к уменьшению распространения пламени и присосу холодного воздуха через отверстия. Это ухудшает равномерность распределения температур и вызывает понижение температур в тех участках печи, куда проникает холодный воздух.

Температурный режим печи зависит также и от температуры факела пламени и ее распределения по длине факела. Температура факела регулируется подачей воздуха.

5.Расчет горения топлива, действительной температуры факела и минимальной температуры подогрева воздуха.

Теплоту сгорания топлива определяют по его составу:

Qн=358CH₄+637C₂H₆+912C₃H₈+1186C₄H₁₀;

Qн=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м³

Уравнения реакций горения составных частей топлива:

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O+Q;

C₂H₆+3,5О₂=2СО₂+3Н₂О+Q;

C₃H₈+5O₂=3CO₂+4H₂O+Q;

C₄H₁₀+6,5O₂=4CO₂+5H₂O+Q.

Коэффициент избытка воздуха L=1,1.

Расчет горения сводим в таблицу:

Состав топлива, %	Содержание газа, м3/м3	Расход воздуха на 1м3 топлива, м3				Выход продуктов горения на 1 м3 топлива,м3
		О2Т	О2Д	N2Д	VL	CO2	H2O	N2	O2	VД
CH4-93,2	0,932	1,864	1,96х1,1	2,16х х3,76	2,16+ +8,10	0,932	1,864	-	-	2,796
С2Р6-0,7	0,007	0,025				0,014	0,021	Из воздуха	Из воздуха	0,035
С3H8-0,6	0,006	0,030				0,018	0,024	8,1	0,2	8,142
C4H10-0,6	0,006	0,039				0,024	0,030	-	-	0,054
N2-4,4	0,044	-	-	-	-	-	-	0,044	-	0,044
СО2-0,5	0,005	-	-	-	-	0,005	-	-	-	0,205
Сумма-100	1	1,96	2,16	8,1	10,26	0,993	1,939	8,144	0,2	11,276

О_2ТиО_2Д-расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при L=1,1; N_2Д- действительный объем азота из воздуха; V_L-действительный расход воздуха для горения 1 м³ газа; V_Д-объем продуктов горения на 1 м³ газа.

Объемный состав продуктов горения, %:

CO2=0,993*100/11,28=8,80

H2O=1,939*100/11,28=17,20

N2=8,144*100/11,28=72,23

O2=0,2*100/11,28=1,77

_________________________

Сумма-100

Определим расход топлива:

Составим тепловой баланс варочной части печи.

Приходная часть

1.Тепловой поток ,поступающий при сгорании топлива, кВт:

Ф₁=QнХ,

где Qн-теплота сгорания топлива,кДж/м³;

Х- секундный расход топлива, м³/с.

Ф₁=35200Х кВт.

2. Поток физической теплоты, поступающий с воздухом, кВт:

Ф2=V_Lc_вt_вХ,

где V_L-расход воздуха для горения 1 м² топлива,м³;

t_в- температура нагрева воздуха в регенераторе-горелке˚,С;

с_в-удельная теплоемкость воздуха при температуре нагрева(данные взяты из приложения), кДж/(м³˚С).

Принимаем температуру подогрева воздуха в регенераторе1100˚С и повышение температуры в горелкена 50˚С. Тогда Ф₂=10,26*1150*1,455=17150Х кВт.

Потоками физической теплоты топлива, шихты и боя пренебрегаем ввиду их незначительности.

Общий тепловой поток будет равен:

Ф_прих.=35200Х+17150Х=52350Х кВт.

Расходная часть

1.На процессы стеклообразования, кВт:

Ф₁=ng,

где п- теоретический расход теплоты на варку 1 кг стекломассы, кДж/кг;

g- съем стекломассы, кг/с.

Так как состав стекла и шихты в расчете не учитываются, то по данным Крегера, можно принять расход теплоты на получение 1 кг стекломассы и продуктов дегазации равным 2930 кДж/кг:

g=70*1000/24*3600=0,81 кг/с;

Ф₁=2930*0,81=2373 кВт ,

2.Тепловой поток, теряемый с отходящими из печи дымовыми газами, кВт:

Ф₂=V_Дt_ДC_ДX,

Где V_Д -объем дымовых газов на 1м³ топлива, м³;

TД-температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, ˚С; принимается равной температуре варки

1500˚ С;

C_Д –удельная теплоемкость дымовых газов при их температуре, кДж/(м³*˚С).

Удельную теплоемкость продуктов горения подсчитывают как теплоемкость смеси газов:

с_Д=c_СО2 r_CO2+c_H2O r_H2O+c_N2 r_N2+c_O2r_O2,

где r-объемная доля компонентов газовой смеси;

с-теплоемкость газов, кДж/(м3*˚С);

С_Д¹⁵⁰⁰=2,335*0,0880+1,853*0,172+1,444*0,722+ +1,529*0,0177=1,6 кДж/(м³*˚С).

Определяем тепловой поток:

Ф₂=11,28*1500*1,6Х=27072Х кВт.

3. Тепловой поток, теряемый излучением, кВт:

Ф3= ( С_оφF(Т1/100)⁴-(Т2/100)⁴)/1000.

Где С_о- коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м²*К⁴);

φ- коэффициент диафрагмирования;

F- площадь поверхности излучения, м²;

Т₁иТ₂- абсолютная температура соответственно излучающей среды и среды, воспринимающей излучение, К

а ) Излучение через загрузочный карман. Для расчета коэффициента диафрагмирования φ принимаем отверстие за прямоугольную щель высотой Н=0,2м, шириной равной ширине загрузочного кармана –1,7 м, толщиной арки δ=0,5 м.

Тогда

Н/δ=0,2/0,5; φ=0,4.

Рассчитаем площадь излучения:

F=1,7*0,2*2=0,68 м² (так как загрузочных карманов два).

Принимаем температуру в зоне засыпки шихты t₁=1400˚C,а температуру окружающего воздуха t₂=20˚С.

Тогда

(Т₁/100)⁴=78340 (Т₂/100)⁴=73,7

Находим тепловой поток

Ф_а=(5,7*0,4*0,68(78340-73,7))/1000=121кВт.

б) Излучение во влеты горелок. Принимаем суммарную площадь влетов равной 3% площади варочной части:

F=50,68*0,03=1,5 м2.

Высоту влетов предварительно принимаем равной 0,4м; форма отверстия – вытянутый прямоугольник, размеры которого Н=0,4; δ=0,5:

Н/δ=0,8(φ).

Принимаем среднюю температуру в пламенном пространстве варочной части t₁=1450˚С, а температуру внутренних стенок горелок t₂=1350˚С. Тогда(Т₁/100)⁴=44205 и (Т₂/100)⁴=33215.

Определяем тепловой поток:

Ф_б=5,7*0,8*1,5(44205-33215)/1000=75,2кВт.

Общий тепловой поток излучением

Ф₃=Ф_а+Ф_б=121+75,2=196,2кВт.

4. Тепловой поток, теряемый на нагрев обратных потоков стекломассы, кВт:

Ф₄=(п-1)gc_ст(t₁-t₂),

где п- коэффициент потока, представляющий собой отношение количества стекломассы, поступающей в выработочную часть, к вырабатываемой; п= 3,5;

с_ст-удельная теплоемкость стекломассы, кДж/(кг*˚С);

t1 и t2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы 1350 и 1250˚ С;

с_ст=0,1605+0,00011t_ст=0,3ккал/(кг*град)*4,19=1,26кДж/ /(кг*˚С);

Ф₄=(3,5-1)0,81*1,26*100=255,15 кВт.

5.Тепловой поток, теряемый в окружающую среду через огнеупорную кладку, кВт:

Ф₅=(tвн - tв/∑ δ/λ+1/α₂)*F,

где t_вн- температура внутренней поверхности кладки, ˚С

t_в- температура окружающего воздуха,˚ С;

δ-толщина кладки, м;

λ-теплопроводность огнеупора данного участка, Вт/(м*˚С);

α₂-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки окружающему воздуху, Вт/(м₂*˚С).

Если принять

(tвн - tв/∑ δ/λ+1/α₂=q,

то формула теплопередачи примет вид, кВт:

Ф₅=qF.

Плотность теплового потока выбираем по таблице, в зависимости от температуры внутренней поверхности кладки и термического сопротивления ее r=Σδ/λ; при двуххслойной стенке

r=δ₁/λ₁+δ₂/λ₂ ,

Рассчитываем площади поверхностей, ограждающих печь. Принимаем средние размеры варочной части:

по длине бассейна

7,8+0,12=7,92м;

^{по ширине бассейна}

^{6,5+0,4=6,9м,}

^{по длине пламенного пространства}

^{8+0,4/2=8,2м;}

^{по ширине пламенного пространства}

^{6,62+0,4=7,02м,}

^{где 0,4м – торцовой и боковых стен пламенного пространства.}

^{Площадь дна}

Fдна=Fв.ч.+ Fз.к. ,

К площади варочной части добавляют площадь дна загрузочного кармана, т.е.

Fв.ч.=7,92*6,9=54,6м² ;

Fз.к.=6,9*1,6=11,04м^2;

Fдна=54,6+11,04=65,64м².

Площадь стен бассейна. Верхний F₁ и средний F₂ ряды имеют одну и ту же площадь:

F₁, F₂ =(7,92+1,6)*0,6*2+6,9*0,6=11,42+4,14=15,56 м².

Складываем площади двух продольных и поперечной стены с учетом площади продольных стен загрузочного кармана.

Нижний ряд F₃

F₃=(7,92+1)*0,4*2+6,9*0,4=9,89 м².

Площадь стен пламенного пространства

F_п.п.=2F_прод.+F_торц.-F_вл.

Принимаем предварительно высоту стены пламенного пространства равной 1 м.

F_прод.=8,2*1=8,2 м².

Площадь F_торц. Определяют по эскизу.

Определяем площади F₁,F₂,F_к: при этом F_торц.=F₁+F₂-2F_к.

Где F₁,F₂ и F_к – площадь сегмента, прямоугольника и под арками загрузочных карманов.

Для определения площади сегмента применяем упрощенную формулу:

F_сегм. =2/3bf,

где b-длина хорды;

f-стрела подъема свода, равная 1,02м.

Тогда

F_сегм.= F1=2/3*7,02*1,2 =5,76м²;

6.Обоснование выбора печестроительных материалов.

Выбор огнеупоров для кладки стекловаренных печей определяется их химическим составом и свойствами, а также химическим составом стекломассы и зависит от конструкции и режима эксплуатации печей.

Для кладки основных элементов стекловаренной печи использованы следующие огнеупорные материал