Теплотехнические расчеты вращающейся печи для обжига цементного клинкера по сухому способу

Содержание

Введение

1.   Обоснование выбора теплового агрегата.

2.   Патентный поиск.

3. Краткое описание конструкции и работы агрегата.

4. Расчёт горения топлива.

5. Составление теплового баланса.

6. Расчёт удельного расхода топлива.

7. Расчёт необходимого напора в агрегате.

8. Подбор тягодутьевого оборудования.

9. Правила безопасной эксплуатации, охрана труда и окружающей         среды.

10. Заключение.

11. Список использованных источников.

Введение

Создание прогрессивных технологий с минимальными затратами материальных и энергетических средств – одна из главнейшихых задач всех отраслей народного хозяйства, в том числе и строительной индустрии, к которой относится и производство строительных материалов и изделий. Большие объёмы строительства, которые наметил наш президент Н.А. Назарбаев, требуют резкого роста производства строительных материалов и изделий, а также больших капиталовложений. Поэтому важнейшей задачей является изыскание путей снижения затрат.

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.[1]

По этому поводу при поддержке комитета по строительству Министерства индустрии и торговли Казахстана и республиканской Ассоциации производителей цемента и бетона ее организаторами выступили казахстанская компания "Восток-цемент" и российские фирмы "Бизнесцем", "Валев". В южной столице Казахстана собрались более ста делегатов, представляющих ведущие казахстанские, российские и международные цементные компании, среди которых крупнейшие производители цемента из России "Евроцемент" и Интеко, международные холдинги Heidelbergcement, Lafarge, представители заводов из стран СНГ, предприятий-производителей оборудования для цементной промышленности, ученые и государственные чиновники. В течение двух дней участники центрально-азиатского цементного форума обсуждали наиболее актуальные проблемы отрасли, вопросы модернизации и реконструкции предприятий, возможности использования новых технологий в производстве продукции. На конференции также были представлены доклады о ситуации в мировой цементной промышленности, ее состоянии на локальных рынках - в России, Казахстане, Азербайджане и Узбекистане.

По словам казахстанских участников конференции, большое внимание в работе форума было уделено проблемам развития цементной отрасли РК. Несмотря на то, что в Казахстане работают, пять цементных заводов, и объемы их производства ежегодно растут, они не могут обеспечить потребности внутреннего рынка.

По словам председателя правления ОАО "Восток-Цемент" Константина Морозова, за период с 2001 года доля импорта цемента в Республике возросла с 16 до 25%, при этом его производство увеличилось с почти 1,7 млн. тонн за 2001 год до порядка 2 млн. тонн за 8 месяцев 2004 года. Темпы роста строительства в Казахстане обуславливают темпы роста потребления цемента, как основного строительного материала. Предполагается, что до конца 2004 года потребление цемента в республике достигнет 4 млн. тонн, - считает К. Морозов.

Кроме того, в рамках республиканской программы жилищного строительства планируется увеличение объемов строительства жилья до 4 млн. квадратных метров ежегодно. При этом объем потребления цемента в период с 2004 по 2009 годы увеличится до 7,2 млн. тонн. Широкое представительство стран-участниц на форуме предполагает всесторонний подход к проблеме развития цементной отрасли РК - от увеличения поставок до предложений по реконструкции цементного производства, - говорят отечественные производители. В то же время, в уходящем году цементная промышленность России продолжит наращивать объемы производства, опережая темпы роста 2003 года (согласно расчетам экспертов компании "Евроцемент", в этом году в РФ будет выпущено около 45 млн. т. цемента.). За I полугодие рост составил 115,1% к аналогичному периоду прошлого года, за 8 месяцев - 112,3%. Такие данные приводились в докладе "Союза производителей цемента России" "О предварительных итогах работы отрасли в 2004 году.[2]

Современное состояние цементной отрасли, говорилось на конференции, характеризуется рядом показателей, отрицательно влияющих на эффективность работы предприятий. Это высокая энергоемкость, определяемая не только способом изготовления (превалирует "мокрый" способ), но с технически отсталым оборудованием. Низкая рентабельность производства и незначительные амортизационные отчисления не позволяют осуществлять собственное инвестирование и своевременно производить техническое перевооружение и качественный ремонт существующего оборудования. Очень высока степень изношенности основных фондов, отстает база отечественных машиностроительных предприятий. Нерешенность всех этих проблем вызывает у отраслевых руководителей, специалистов опасение, что в ближайшем будущем может возникнуть дефицит цемента.

1. Обоснование выбора теплового агрегата

Создание прогрессивных технологий с минимальными затратами материальных и энергетических средств – одна из главнейших задач всех отраслей народного хозяйства, в том числе и строительной индустрии, к которой относится и производство строительных материалов и изделий.

Большие объёмы строительства, намеченные президентом в Республике, требуют резкого роста производства строительных материалов и изделий, а также больших капиталовложений. Поэтому важнейшей задачей является изыскание путей снижения затрат.

Одно из таких изысканий –  это производство цемента по сухому способу. Главное преимущество, которого является низкий расход топлива,  высокая производительность печи и меньшие габаритные размеры вращающейся печи, а следовательно меньшая металлоемкость печи.

В данном проекте разработана печь по сухому способу производства с циклонными теплообменниками так как, печная установка с циклонными теплообменниками проще по конструкции и надёжнее в эксплуатации, чем печи с конвейерными кальцинаторами.

Задание на проведение патентного исследования

Студенту факультета______________курса_____________группы____________

(фамилия имя отчество)

Тема дипломного (курсового) проекта_________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Предмет поиска____________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Глубина поиска_____________________________________________________

Страны поиска _____________________________________________________

Индексы классификации_____________________________________________

Источники информации______________________________________________

_________________________________________________ _________________

Установленный срок завершения работы____   __________________________

Руководитель дипломного

(курсового) проекта               ________________       ____________________

                                                        (подпись)                        (ф.и.о.)

Студент                             _    __      _________           ___________________                                                          (подпись)                             (ф.и.о.)

Патентовед                      __________________                  __________________                                                   (подпись)                                (ф.и.о.)                

3. Краткое описание конструкции и работы агрегата

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.

рис.1. Схема вращающейся печи.

Вращающаяся печь (рис.1), состоит из цилиндрического корпуса 1, опирающего­ся через бандажи 2 на опорные ролики 3. Корпус имеет уклон 3,5—4% и вращается со скоростью 0,5—1,2 об/мин. Привод пе­чи двойной и состоит из двух электродвигателей 4, двух редукторов 5, двух подвенцовых шестерен и одного венцового коле­са 6.

В середине печи, на одной из ее опор, устанавливается пара роликов (горизонтально) для контроля за смещением печи вдоль оси (вниз или вверх). Вспомогательный привод включается в ра­боту при ремонтах печи, в период розжига и остановки, когда печь должна вращаться медленно. Сырьевая мука подается в питательную трубу 7 при помощи ковшовых или объемных дозаторов, на­ходящихся у холодного конца печи. Со стороны головки 8 в печь подается топливо и воздух; в результате сгорания топлива по­лучаются горячие газы, поток которых направлен от горячего конца печи к холодному—навстречу движущемуся материалу. Для улучшения теплопередачи и обеспыливания газов внутри печи в холодном ее конце размещается цепной фильтр-подогре­ватель 9. Пыль, уловленная за печью в результате газоочистки, возвращается обратно в печь. Она транспортируется пневмонасосом в бункер, а из него при помощи периферийного загружателя 10 направляется в полую часть пе­чи, со стороны горяче­го конца. Клинкер охлаждается в колосниково-переталкивающем холодильнике 11. На печах кор­пус оборудован центральной системой смазки 12.

4. Расчёт горения топлива

В справочнике находим состав заданного вида топлива на горючую массу и влажность рабочей массы топлива (W^P).  Топливо – мазут М–40.

Таблица-1: состав мазута М – 40, в %

С^Г

Н^Г

S^Г

N^Г

O^Г

A^Р

W^Р

Qн^Р кдж/кг

87,4

11,2

0,5

0,4

0,5

0,2

3

39440

Мазут сжигается с коэффициентом расхода воздуха a=1,2. Топливо, идущее для горения, предварительно подогревается до 60^оС.

Пересчёт содержания компонентов топлива:

С^Р = 0,01 · 87,4 · (100 – 0,2 – 3) = 86,963 %

О^Р = 0,01 · 0,5 · (100 – 0,2 – 3) = 0,498 %

S^P = 0,01 · 0,5 · (100 – 0,2 – 3) = 0,498 %

Н^Р = 0,01 · 11,2 · (100 – 0,2 – 3) = 11,144 %

N^Р = 0,01 · 0,4 · (100 – 0,2 – 3) = 0,398 %

Теплотворная способность топлива:

Qн^Р=(339·86,963+1030·11,144–108,9·(0,498–0,498–25·3)= 41029,657 кДж/кг.

Теоретически необходимый для горения расход сухого воздуха:

L_O =(0,0889·86,963+0,265·11,144–0,0333·(0,498–0,498)= 10,684 нм³/кг

Теоретически необходимый для горения расход сухого воздуха:

L¹_O =(1+0,0016·10)·10,684=10,85 нм³/кг

Действительный расход сухого воздуха с учётом коэффициента расхода воздуха:  Lα = 1,2·10,684=12,821 нм³/кг

Действительный расход влажного воздуха:

L¹α = (1+0,0016·10) ·12,821=13,026 нм³/кг

Объём дымовых газов, полученных при сжигании топлива рассчитывается по следующим формулам:

Vco₂ = 0,01855·86,963=1,613 нм³/кг

Vн₂о = (0,112·11,144+0,0124·(3+0)+0,0016·10·12,821=1,49 нм³/кг  

Vso₂ = 0,007·0,498=0,003 нм³/кг

VN₂ = (0,79·12,821+0,008·0,398)=10,132 нм³/кг

Vo₂ = 0,21· (1,2–1)·10,684=0,449 нм³/кг

Суммарный объём дымовых газов:

Vα = (Vco₂+ Vн₂о+ Vso₂+ VN₂+ Vo₂)=13,687 нм³/кг

Процентное содержание дымовых газов:

Рco₂ = 100·1,613/13,687=11,785 %

Рн₂о = 100·1,49/13,687=10,88 %

Рso₂ = 100·0,003/13,687=0,022 %

РN₂ = 100·10,132/13,687=74,026 %

Рo₂ = 100·0,449/13,687=3,28 %

Масса топлива принимается равной М_Т=100 кг.

Масса кислорода: Мo₂ = 100·0,21·12,821·1,429=384,7 кг

Масса азота: МN₂ = 100·0,79·12,821·1,251=1267,0 кг

Масса водяных паров: Мн₂о = 100·0,0016·10·12,821·0,804=16,49 кг

Общая масса приходной части: Мпр = (100+384,7+1267+16,49)=1768,19 кг

Масса золы: Мз = А^Р кг

Масса дымовых газов (продуктов горения) складывается из масс двуокиси углерода, двуокиси серы, водяных паров,  азота и кислорода:

Мco₂ = 100·1,613/1,977=318,89 кг

Мн₂о = 100·1,49/0,804=119,79 кг

Мso₂ = 100·0,003/2,852=0,855 кг

МN₂ = 100·10,132/1,251=1267,51 кг

Мo₂ = 100·0,449/1,429=64,162 кг

Общая масса расходной части:

Мрасх = (Vco₂+ Vн₂о+ Vso₂+ VN₂+ Vo₂) = 1771,4 кг

Абсолютная невязка: Nабс = (1768,19 – 1771,4) = –3,21 кг

Невязка в процентах: Nпр = 100·(–3,21)/1768,19 = –0,181542 %

Теплоёмкость сухого воздуха (С_{ВОЗ.СУХ 1}) и водяных паров (С_Н2О) при температуре первичного воздуха (t₁) методом интерполяции:

Теплоёмкость сухого воздуха (С_{ВОЗД.СУХ 2}) и водяных паров (С_Н2О) при температуре вторичного воздуха (t₂) методом интерполяции: 

Теплосодержание жидкого топлива:

Теплосодержание продуктов горения (кДж/Нм³):

Теплосодержания продуктов горения (кДж/нм³):

Разность температур (Δt) между калориметрической температурой горения топлива и более низкой температурой продуктов горения (t _К1):

Калориметрическая температура горения топлива:

tк = (2100 + 74,536) = 2174,536⁰ С

Теплосодержание продуктов горения, соответствующее действительной температуре горения топлива:

Iq = 3617,561 · 0,75 = 2713,170 кДж/нм³

tq1 = 1600⁰ C.

tq2 = 1700⁰ C.

Теплосодержание продуктов горения топлива при необходимой температуре горения (t_P = 1650⁰ C):

Ip=(3822,62·11,785+3992,7·0,022+3047,58·10,88+2356,5·74,026+2494,28·3,28) = 45045,334 кДж/нм³

Теплосодержание воздуха при необходимой температуре горения (кДж/нм³):

Дополнительное количество воздуха для смешения с продуктами горения топлива (нм³/кг):

Общее количество воздуха, идущего на горение и смешение с продуктами горения топлива:

L¹¹_α = ( 13,026 + 0,4578 ) = 13,483 нм³/кг

Общий коэффициент расхода воздуха: α =13,483/10,85 = 1,242

Влагосодержания разбавленных продуктов горения (d_Р.Г):

V¹co₂ = Vco₂  нм³/кг                     V¹so₂ = Vso₂ нм³/кг

V¹н₂о = (0,112·11,144+0,0124·3+0,0016·10·1,242·10,684) =1,497 нм³/кг  

V¹N₂ = (0,79·1,242·10,684+0,008·0,398)=10,486 нм³/кг

V¹o₂ = 0,21· (1,242–1)·10,684=0,5429 нм³/кг

Влагосодержание разбавленных продуктов горения топлива:

г (водяных паров) на кг (сухого воздуха).

5. Составление теплового баланса

Эффективность использования топлива во вращающейся печи определяется в основном тремя факторами: полнотой горения топлива, глубиной охлаждения топочных и технологических газов и количеством потерь тепла корпусом печи в окружающую среду. На основании теплового баланса распределяется тепло, вносимое в печь, на полезно используемые и тепловые потери. Его выражают в единицах тнпла, отнесённых к единице продукции (кДж/кг клинкера). Составлению теплового баланса предшествует расчёт в весовых количествах всех химических и физических превращений веществ, соотношение которых представляет собой материальный баланс процесса.

 Расход

Расход сухого сырья с учётом безвозвратного уноса:

Расход сырьевой муки:

Действительный расход сухого воздуха: L_α=12,821 нм³/кг

 Приход

Выход клинкера – 1,00 кг.

Выход технологической углекислоты:

Выход уноса:

Выход отходящих газов из топлива:

Общий выход отходящих газов из топлива на 1 кг топлива:

V_О.Г. =1,626+0,0034+9,311+0,224+1,26=12,424 нм³/кг

G_О.Г. = 3,214+0,0102+11,639+0,32+1,0147=16,198 кг/кг

Сводные данные по материальному балансу:

Расход