Модернизация системы энергоснабжения цементного завода
КАФЕДРА "Промышленная
теплоэнергетика"
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ:
"Энергосбережение
промышленных предприятий"
Модернизация
системы энергоснабжения цементного завода
Выполнил
студент гр. 05–ПТЭ
Тимошенко О.С.
Преподаватель
доц., к.т.н.
Стребков А.C.
Брянск 2009
Содержание
Введение
1. Производительность работы
вращающихся печей
1.1
Расчет печного агрегата 4´150
2. Определение потребления газа
цементным заводом
2.1 Методика
расчета состава сырьевой смеси для производства цемента
2.2
Материальный баланс вращающейся печи
2.2.1 Расход материалов
2.2.2 Приход материалов
2.3
Тепловой баланс вращающейся печи
2.3.1 Химический состав
топлива
2.3.2 Приход теплоты в
печь при обжиге
2.3.3 Расход теплоты из
печи при обжиге
2.3.4 Расход газа на
производство 1 килограмма клинкера
2.4
Расчет производства клинкера заводом
2.5
Расчёт производства цемента заводом
2.6
Расчет потребления газа печами цементного завода
3. Потребление воздуха на заводе
4. Потребление электроэнергии
5. Расчет потребления оборотной воды
заводом
6. Разворот мазутного хозяйства
6.1
Расчет расход мазута на печи
6.2
Расчет расхода пара на обогрев мазута
6.3 Расчет
расхода мазута на котельную
Заключение
Объектом исследования данного
курсового проекта является цементный завод, а также его энергетические потоки.
Актуальность работы связана с тем,
что цемент является основным материалом для индустриального строительства.
Бережливое использование энергоресурсов – одна из важнейших задач народного
хозяйства. Высокие темпы производства обуславливают необходимость проведения
деятельности энергосбережения для сокращения трудовых и экономических затрат.
Для цементной промышленности как наиболее топливно-энергоемкой отрасли эта
проблема имеет особенно важное значение.
Целью моего курсового проекта
является предложение оптимального мероприятия по снижению энергопотребления
цементного.
Для достижения поставленной цели
необходимо решить ряд задач:
1. Определение часовой
производительности вращающихся печей, установленных на цементном заводе.
Производительность печи зависит от
геометрических размеров, температуры уходящих газов, влажности шлама и толщины
футеровки, которая снижается по мере износа.
2. Определение потребления газа
цементным заводом.
Для решения задачи необходимо
составить подекадный график работы печных агрегатов и определить расход
условного топлива на производство 1 кг клинкера.
3. Расчёт мазутного хозяйства на
цементном заводе.
1.1 Расчет печного агрегата 4´150
1.Определение цепной завесы
;
2.Площадь цепной завесы
;
3.Площадь футеровки печи
,
4. Площадь ячейковых теплообменников
5.Часовая производительность печного
агрегата
Fтп=Fц.з.+ Fф.п=1269,5+1582,56=3024,8м2;
,
где Wc=36% – влажность сырьевой смеси;
tух=180оС – температура
уходящий газов;
1.2 Расчет печного агрегата 3,6´150
1.Определение цепной завесы
;
2.Площадь цепной завесы
;
3.Площадь футеровки печи
,
4.Часовая производительность печного
агрегата
Fтп=Fц.з+ Fф.п=1315,5+1422,4=2737,9м2;*
*
2.1 Методика расчета состава сырьевой
смеси для производства цемента
Основные модули, характеризующие
клинкер:
Глиноземный модуль р=1,82 (0,9…2,0);
Кремнеземистый модуль n=2,86 (1,9…3,0);
Коэффициент насыщения клинкера
КН=0,94 (0,84…0,96).
Сухая сырьевая смесь с добавками, % :
Глина – 17,5%; Мел – 82,5%.
Таблица 1
|
Молярная масса компонентов, кмоль
|
|
СаСО3
|
100,00
|
|
СаО
|
56,00
|
|
MgСО3
|
84,32
|
|
MgО
|
40,32
|
|
CО2
|
44,00
|
|
Н2О
|
18,00
|
Таблица 2 Химический состав сухого
сырья
|
Химический состав мела из карьера
|
Химический состав глины из карьера
|
Желез. Добавка
|
Глиноземистые добавки
|
|
%
|
гр.
|
%
|
гр.
|
%
|
гр.
|
6,69
|
0,34
|
|
Fe2O3
|
0,54
|
4,46
|
5,45
|
9,54
|
73,60
|
3,64
|
57,02
|
2,90
|
|
Ae2O3
|
0,97
|
8,00
|
12,41
|
21,72
|
4,26
|
0,21
|
17,97
|
0,91
|
|
SiO2
|
3,42
|
28,22
|
66,26
|
115,96
|
15,49
|
0,77
|
0,15
|
0,01
|
|
CaO
|
52,82
|
435,77
|
3,75
|
6,56
|
1,45
|
0,07
|
0,11
|
0,01
|
|
MgO
|
0,35
|
2,89
|
1,58
|
2,77
|
1,30
|
0,06
|
0,24
|
0,01
|
|
ППП
|
41,88
|
345,51
|
9,10
|
15,93
|
2,56
|
0,13
|
17,82
|
0,91
|
|
прочее
|
0,02
|
0,17
|
1,45
|
2,54
|
1,34
|
0,07
|
0,50
|
0,03
|
|
Мел+магнезит
|
95,05
|
784,16
|
10,00
|
17,50
|
5,31
|
0,26
|
-
|
-
|
|
Влажность
|
22,96
|
189,42
|
21,64
|
37,87
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
Гидрат. Вода
|
-
|
-
|
4,43
|
7,75
|
-
|
-
|
2,90
|
2,90%
|
|
Масса компонента
|
82,50
|
825,02
|
17,50
|
175,02
|
0,60
|
4,95
|
5,08
|
5,09
|
1. Масса оксида железа в меловом
шламе с добавкой
2. Масса оксида железа в глиняном
шламе.
3. Химическое содержание оксида
железа в меловом шламе с добавкой.
4. Масса
оксида железа в готовом шламе
5. Химическое содержание оксида
железа в готовом шламе
6. Потери при прокаливании
6.1. Потери при прокаливании в
меловом шламе с добавкой:
где 
, 
- молярные массы СаСО
и СаО соответственно в г/моль.
где, 
, 
- молярные массы MgСО и MgО соответственно в г/моль.
6.2. Потери при прокаливании в
глиняном шламе:
6.3. Потери при прокаливании в
готовом шламе:
где 
, 
-доли мела и глины в готовом шламе
соответственно.
г
7. Масса шлама, приходящаяся на 1 кг
клинкера
1010,03г шлама
1010,03-МППП
х г шлама 1000 г клинкера
8. Масса клинкера, получаемая из 1 кг шлама
9. Химическое содержание оксида
железа в клинкере
Все оставшиеся компоненты сухой смеси
рассчитываются по подобию выше изложенных формул и заносятся в таблицу 3.
Таблица 4
|
Вещество
|
Шлам план (без добавок)
|
Мел + добавки
|
Глина + добавки
|
|
Fe2O3
|
Химический состав, %
|
1,40%
|
Масса компонента, гр
|
14,00
|
Химический состав, %
|
0,98%
|
Масса компонента, гр
|
8,10
|
Химический состав, %
|
5,49%
|
Масса компонента, гр
|
9,88
|
|
Al2O3
|
2,97%
|
29,72
|
0,99%
|
8,21
|
13,67%
|
24,62
|
|
SiO2
|
14,42%
|
144,18
|
3,49%
|
28,99
|
64,89%
|
116,87
|
|
CaO
|
44,23%
|
442,33
|
52,51%
|
435,84
|
3,65%
|
6,57
|
|
MgO
|
0,57%
|
5,66
|
0,36%
|
2,95
|
1,54%
|
2,78
|
|
ППП (CO2+H2O)
|
36,14%
|
361,44
|
41,64%
|
345,64
|
8,85%
|
15,94
|
|
прочее
|
0,27%
|
2,71
|
0,03%
|
0,24
|
1,92%
|
3,45
|
|
Масса компонента, гр
|
1000,00
|
1000,04
|
829,95
|
829,97
|
180,08
|
180,11
|
|
Вещество
|
Шлам факт (+добавки)
|
Клинкер
|
|
Fe2O3
|
Химический состав, %
|
1,78%
|
Масса компонента, гр
|
17,98
|
Химический состав, %
|
2,77%
|
Масса компонента, гр
|
17,98
|
|
Al2O3
|
3,25%
|
32,83
|
5,06%
|
32,83
|
|
SiO2
|
14,44%
|
145,86
|
22,49%
|
145,86
|
|
CaO
|
43,80%
|
442,41
|
68,22%
|
442,41
|
|
MgO
|
0,57%
|
5,73
|
0,88%
|
5,73
|
|
ППП (CO2+H2O)
|
35,80%
|
361,58
|
-
|
-
|
|
прочее
|
0,37%
|
3,69
|
0,57%
|
3,69
|
|
Масса компонента, гр
|
1010,03
|
1010,08
|
648,45
|
648,50
|
2.2.1 Расход
материалов
1.Теоретический расход сухого сырья на 1 килограмм клинкера
, кг/кг,
2.Практический расход сухого сырья
где З
– зольность топлива (газа),
%.
3.Практический расход шлама
где W
– влажность шлама, %.
4.Полный пылеунос из печи
где 
– степень пылеуноса, %.
Принимаем
=4%.
5.Возвратный
пылеунос
кг/кг,
где 
.
– степень
возврата пылеуноса, %.
6.Безвозвратный пылеунос
кг/кг.
1.Выход клинкера
кг.
2.Содержание мела в сырьевой смеси
%,
где 
и 
– молярные массы карбоната и оксида кальция,
кг/моль;
CaO –
содержание оксида кальция в шламе, %.
3.Содержание магнезита в сырьевой смеси
%,
где 
и 
– молярные массы карбоната и оксида магния,
кг/моль;
MgO –
содержание оксида магния в шламе, %.
4.Содержание углекислого газа, в карбонатных и
магнезиальных компонентах сырьевой смеси, в связанном виде
%,
где 
– молярная масса двуокиси
углерода, кг/моль.
5.Выход углекислого газа при декарбонизации сырьевой смеси
, кг/кг.
6.Расход мела в сырьевой смеси
=
, кг/кг.
7.Расход магнезита в сырьевой смеси
, кг/кг.
8.Выход гидратной воды
, кг/кг.
9.Выход физической воды из шлама
, кг/кг.
Изменение
влажности в течении года представлено в табл. 5
Таблица 5
Изменение влажности в течении года
|
Время года
|
Влажность шлама, %
|
|
Зима
|
42
|
|
Весна
|
38
|
|
Лето
|
36
|
|
Осень
|
39
|
2.3.1 Химический
состав топлива
Химический состав топлива, поступающего в печь:
В
качестве топлива используется газ из газопровода "Щебелинка-Брянск-Москва"
с техническими данными, приведенными в таблице 6:
Таблица 6
|
Химический состав топлива, %
|
|
СН4
|
С2Н6
|
С3Н8
|
С4Н10
|
С5Н12
|
С2Н4
|
N2
|
Н2О
|
Σ
|
|
94,1
|
3,10
|
0,60
|
0,20
|
0,80
|
-
|
1,20
|
-
|
100
|
Химический состав топлива с учетом влажности приведен в
таблице 7:
Таблица 7
|
Химический состав топлива с учётом
влажности, %
|
|
СН4
|
С2Н6
|
С3Н8
|
С4Н10
|
С5Н12
|
С2Н4
|
N2
|
Н2О
|
Σ
|
|
92,90
|
3,10
|
0,60
|
0,20
|
0,80
|
-
|
1,20
|
1,2
|
100,00
|
Зольность топлива примем 0,0 %.
Теплота сгорания топлива с учетом его влажности
Состав
сухого воздуха, используемого для горения топлива, примем как азота N2 – 79%,
кислорода O2 – 21%.
Теоретический расход сухого воздуха на горение
м3/м3.
Теоретический
расход влажного атмосферного воздуха
м3/м3,
где d –
влажность атмосферного воздуха, г/м3.
Действительный расход сухого воздуха
, м3/м3,
где αизб
– коэффициент избытка атмосферного воздуха, назначается из опыта эксплуатации
печей данного типа. Диапазон принимаемых значений αизб=1,03..1,08.
Действительный расход влажного атмосферного воздуха
, м3/м3.
Химическая
теплота горения топлива
, кДж/кг,
где 
– удельный расход топливного газа на
производство 1 килограмма клинкера, м3/кг.
Физическая
теплота топлива, подаваемого в печь
, кДж/кг,
где 
– объемная теплоемкость топлива при p=const,
кДж/(кг· °С);
– температура газа в горячем конце печи, °С.
Физическая
теплота шлама, подаваемого в печь
, кДж/кг,
где 
, 
– энтальпии сырья (шлама) и воды, поступающих
в печь, кДж/кг;
,
– массовые расходы сырья и воды, кг/кг.
Физическая
теплота воздуха, подаваемого в печь
где β – доля первичного воздуха
(не более 0,30), кДж/кг;
– объемная теплоемкость воздуха при p=const,
кДж/(кг· °С);
,
– температура первичного и вторичного воздуха
на входе в печь, °С.
Значения физической теплоты воздуха в
течении года приведены в таблице 9.
Всего
приход теплоты в печь при обжиге 1 кг клинкера
кДж/кг.
Затраты
теплоты на клинкерообразование:
, кДж/кг.
Т.е. 
– теплота на превращение сухого химического
состава в клинкер.
Методика расчета каждого из четырех
слагаемых приведена в пп. 1-4:
Расход теплоты на дегидратацию
сырьевой смеси
кДж/кг,
где 
– расход гидратной воды, кг/кг.
Расход теплоты на декарбонизацию
карбоната кальция и магния
кДж/кг.
Расход тепла на образование жидкой
фазы
, кДж/кг.
Приход тепла при образовании
клинкерного материала в ходе экзотермических преобразований реакций
твердофазного синтеза
где
минералогический состав обжигаемого клинкера определяется по методике:
63,30
14,73
.
Теплота на
испарение физической воды
, кДж/кг,
где r – теплота парообразования,
кДж/кг.
Теплота
клинкера на выходе из печи
, кДж/кг,
где 
– энтальпия клинкера на выходе из печи на
горячем конце печи, кДж/кг.
Теплота
пылеуноса
, кДж/кг,
где 
– энтальпия клинкера на выходе из печи на
холодном конце печи, кДж/кг.
Потери
тепла от механической и физической неполноты горения топлива:
, кДж/кг,
где 
– коэффициент неполноты горения, = 0,05.
Теплота,
теряемая от корпуса печи через окружающую среду
, кДж/кг,
где 
– коэффициент потерь от корпуса печи,
= 0,15..0,30.
Значение коэффициента потерь от
корпуса печи зависит от температуры окружающей среды, скорости ветра,
технического состояния печи.
Тепло,
уносимое уходящими газами с холодного конца печи
430,8
где 
– объем газа в уходящих газах, м3/м3;
– энтальпии соответствующих газов в составе
уходящих газов, кДж/м3.
, где 
– объемная теплоемкость газа при p=const,
кДж/(м3· С0),
=180– температура газа в холодном конце печи,
°С.
Всего
расход теплоты в печь при обжиге 1 килограмма клинкера
1.
Расход газа на
производство 1 килограмма клинкера
Для печи выполняется тепловой баланс:
, кДж/кг, т.е.
2.
Определение
расхода условного топлива на производство 1 килограмма клинкера
Тепловой баланс вращающейся печи с
учётом удельного расхода газа представлен в табл. 8.
Таблица 8 Тепловой баланс вращающейся печи
|
Статьи прихода
|
Приход теплоты в печь, кДж/кг
|
Статьи расхода
|
Расход теплоты в печи, кДж/кг
|
|
|
6308
|
|
1877
|
|
|
1
|
|
2291
|
|
|
57
|
|
996
|
|
|
1022
|
|
9,16
|
|
|
7331
|
|
32
|
|
|
|
1262
|
|
|
|
491
|
|
|
|
7388
|
.
Производительность печей в течение
года меняется в зависимости от влажности шлама, температуры уходящих из печи
дымовых газов, и потерей от корпуса печи, кот увеличиваются в период
эксплуатации.
Общая годовая производительность
клинкера по заводу рассчитывается в зависимости от декадного графика работ
печей. Подекадный график производства клинкера цементным заводом представлен на
рис. 1. Суммарное производство клинкера цементным заводом составляет 4,308
млн.т/год.
Рис. 1. Подекадное производство
клинкера
На заводе производится цемент двух
марок ОД(без добавки) и 20Д с 20-ти %-й инертной добавкой. Основная часть клинкера
идет на производство цемента марки 0Д – 80% от общего объема клинкера, на
производство цемента марки 20Д идет 20% клинкера. Годовая производственная
программа цементного завода приведена. В летние месяцы (июнь-август) из
клинкера госрезерва производят цемент марки ОД. Подекадное производство цемента
заводом представлено на рис. 2. Всего за год завод производит 4,583 млн. т.
Рис. 2. Подекадное производство
цемента заводом
Зная расход условного топлива на
производство 1 кг клинкера, можно определить расход газа на производство
клинкера, затрачиваемого каждым типом печей подекадно.
Для печного агрегата ПА-1 декаду
января:
Расход газа определяется для каждой
печи в каждую декаду, затем суммированием находим потребление газа всем заводом
в каждую декаду.
Расход газа на производство клинкера
заводом в первую декаду января:
Расход газа на производство клинкера
заводом в год будет равен 774943667 м3.
График потребления газа заводом
представлен на рис. 3.
Рис. 3. Подекадное потребление
заводом газа
Для обеспечения непрерывного процесса
выпуска цемента заводу требуется сжатый воздух. Воздух необходим для помола цемента,
для обеспечения процесса горения газа и насыпки цемента. Также воздух подаётся
на аэрацию шлам-бассейнов и цементных силосов. Рассчитаем необходимое
количество воздуха для завода. Примем, что заводу необходимо воздуха в
1,05…1,15 раз больше, чем газа. Тогда в первую декаду потребление воздуха
составит:
.
Подекадное потребление воздуха
представлено на рис. 4.
Рис. 4. Подекадное потребление
воздуха
Средний расход воздуха составляет
70000 м3/ч. Для обеспечения завода необходимым количеством воздуха в
заводской компрессорной установим 4 компрессора марки К500А, один из которых
резервный. Производительность компрессора 500 м3/мин.
Рассчитаем подекадное потребление
электроэнергии заводом из условия, что на 1 тонну произведённого цемента
потребляется 110 кВт электроэнергии. Для первой декады:
.
Подекадный график потребления
электроэнергии представлен на рис.5.
Рис. 5.Подекадное потребление
электроэнергии
Используя формулы термодинамики произведем
расчет тепловых потоков.
Определим температуру после каждой
ступени сжатия.
·
Температура
воздуха после первой ступени сжатия:
;
- температура на входе в компрессор;
-температура воздуха после i-той ступени сжатия
- степень повышения давления, одинаковая
для всех трех ступеней компрессора;
;
Р1-начальное давление воздуха
перед компрессором, Р1=1ат;
Р2-конечное давление воздуха
после компрессора, Р2= 9ат.
k =1,4 – показатель изоэнтропы для
двухатомных газов;
- внутренний КПД ступени;
;
Температура, до которой охлаждается воздух
в холодильниках компрессорной станции равны 35, 40, 45 °С
Среднее снижение температуры оборотной
воды равно 4°С
Номинальная подача сжатого воздуха V=500м3/мин
;
·
Перепад энтальпий
воздуха в первом промежуточном холодильнике:
·
Температура
воздуха после второй ступени сжатия;
·
Перепад энтальпий
воздуха во втором промежуточном холодильнике:
·
Температура
воздуха после третьей ступени сжатия;
·
Перепад энтальпий
воздуха в концевом холодильнике:
·
Суммарный перепад
энтальпий воздуха в всех холодильниках:
·
Тепловой поток от
холодильников:
Имея расходы сжатого воздуха можно
вычислить расход оборотной воды для охлаждения сжатого воздуха в промежуточном
и концевом холодильниках. Для 1-й декады января это значение равно:
Расход воды на охлаждение воздуха при
работе 6-ти компрессоров:
Расход
воды на охлаждение масла, подшипников,
кг/с,
Расход воды на шлам:
Необходимое количество воды:
Действительное количество воды
Определим недостаток воды в шламе
Действительный расход воды:
Полный расход оборотной воды в 1
декаде января:
Для остальных 35 рабочих декад расчет
аналогичен, по полученным результатам строится гистограмма расхода оборотной
воды (рис 6).
Рис 6
6. Разворот
мазутного хозяйства
Рис. 7
В соответствии с ГОСТ10585-75 был
выбран мазут 40В с параметрами
=9700ккал/кг,
Tвсп=100 0С.
Расход мазута на печи составил:
Мазут должен хранится на складе в
зависимости от годовой производительности завода на 1 декаду. Максимальный
расход составил в 29 декаду 85055тонн.
В среднем расход мазута составил 350
тонн/час.
6.2 Расчет расхода пара на обогрев мазута
Выполняется тепловой баланс:
В соответствии с ВНТП 06-86 выбираем
параметры пара:
T=187.9 0C
P=1.2MПа
Где теплоемкость мазута в
ккал/(кг*0С) считается по формуле сТ=0,415+0,0006*t, t – температура топлива,
0С.
Среднюю температуру мазута принимаем
зима- -20, лето 20, весна 0 0С.
Аналогично производим расчет для
остальных декад.
График расхода пара строим с учетом
расхода пара на отопление – 4 процента от расхода на печи
6.3 Расчет расхода мазута на котельную
Средний
расход пара составил 30 тонн/час.
Максимальный
48 тонн/час.
Поэтому
комплектуем котельную 5 котлами типа ДЕ-10.По паспортным данным его расход
составляет 624 кг/час на 1 котел. Скорректированный график расхода мазута показан
на рис
Для 29
декады расход мазута на котельную составил 1666 тонн.
Рис. 8
Заключение
По результатам проделанной работы
можно сделать следующие выводы:
Объектом исследования данного
курсового проекта является цементный завод, а также его энергетические потоки.
1. Часовая производительность
вращающейся печи 3,6Х150 равна 43,4 т.кл/ч клинкера, а часовая
производительность вращающейся печи 4Х150 равна 37,32 т клинкера в час.
2. Составлен подекадный график работы
печных агрегатов.
3. Основные фактические модули,
характеризующие клинкер печей:
Глиноземный модуль р=1,82;
Кремнеземистый модуль n=2,86;
Коэффициент насыщения клинкера КН=0,94.
3. Составлены материальные и тепловые
балансы для каждого типа вращающейся печи.
4. Расход условного топлива на
производство 1 т клинкера печами цементного завода в среднем равен 0,212 кг у.т./кг кл.
5. Выход клинкера за год равен 4308
млн т кл.
6. Завод выпускает цемент двух марок:
без добавок 80% и с добавками 20%. Производство цемента заводом в год равно 4583
млнт ц/год.
7. Расход газа на производство
клинкера заводом в год равен 774943 667м3/год.
8. Потребление сжатого воздуха
цементным заводом от компрессорной станции равно 852438 033 м3/год.
9. Рассмотрено мазутное хозяйство
завода.
Таким образом, можно сделать вывод,
что цель курсового проекта достигнута.
В ходе исследования, я научилась
составлять энергобалансы промышленного предприятия на примере цементного
завода, что позволило мне лучше понимать процессы, происходящие в ходе
экономической и инженерной деятельностей предприятия. Свои знания и навыки я
смогу применить при разработке дипломного проекта, а также в последующей работе
на реальном заводе.