Расчет шахтной печи

Расчет шахтной печи

Министерство образования и науки

«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Факультет ИСиТБ

Кафедра «Энергоснабжения и теплотехники»

Пояснительная записка

к курсовой работе

на тему:

Расчет шахтной печи

СОДЕРЖАНИЕ ЗАПИСКИ

Краткое описание шахтной печи

Технологический расчет

Расчет температуры и продуктов горения топлива

Материальный баланс

Тепловой баланс и КПД печи

Расчет температур на границах технологических зон и построение кривой обжига

Аэродинамический расчет печи, подбор вспомогательных устройств и оборудования

Компоновка оборудования

Библиографический список

шахтная печь горение тепловой

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ШАХТНОЙ ПЕЧИ

Тепловые установки для обжига материалов и изделий классифицируют:

1) по техническому назначению различают печи обжига кусковых и сыпучих материалов (извести, цементного клинкера, гипса), обжига формованных изделий (керамических и теплоизоляционных), печи спекания сыпучих материалов, плавильные печи;

) по режиму работы печи бывают периодического и непрерывного действия;

) по конструктивной схеме различают шахтные, вращающиеся, камерные, кольцевые, туннельные, тарельчатые, башенные, ванные и другие печи;

4)по способу теплообмена печи бывают прямого огня и муфельные;

5)по источникам тепла, типу топочного устройства и виду топлива.

Наиболее часто по конструктивным решениям для обжига сыпучих и кусковых материалов применяют шахтные и вращающиеся печи, а для обжига формованных изделий - туннельные и кольцевые печи.

Шахтными называют печи, рабочая камера которых имеет форму вертикального полого ствола. Применяют их главным образом для обжига извести, цементного клинкера, глины и перлита. По способу перемещения обжигаемого материала в шахте различают печи гравитационного принципа, с обжигом материала во взвешенном слое и в кипящем слое.

Печи гравитационного типа применяют для обжига крупнокусковых материалов, в остальных печах обжигают более мелкие фракции. В этих печах обжиг производится дымовыми газами, которые перемещаются снизу вверх сквозь толщу материала, не нарушая положения отдельных кусков. Поэтому печи гравитационного типа называют еще печами с фильтрующим слоем. Они бывают пересыпными, с выносными топками, газовые и мазутные.

Главными конструктивными элементами шахтных печей являются: шахта, загрузочно-выгрузочные элементы, топливосжигающие и тягодутьевые устройства. Продольный профиль шахты выполняют цилиндрическим, иногда выстраивают печи в виде формы, состоящей из двух усеченных конусов, сомкнутых большими основаниями. Конструктивно шахту выполняют из стального сварного кожуха, футерованного внутри огнеупорными и теплоизоляционными материалами. Загрузочный механизм должен обеспечивать герметизацию верха шахты и равномерное распределение материала по ее поперечному сечению. Выгрузочное устройство обеспечивает механизированную и равномерную подачу обоженного материала из печи. Одновременно с этим оно герметизирует низ печи, предотвращая выбивание из печи подаваемого на обжиг воздуха. Наиболее распространены три типа выгрузочных устройств: с вращающимся подом, с подвижной колосниковой решеткой и валкового типа.

При установившемся режиме работы печи в шахте различают три технологические зоны: подогрева, обжига и охлаждения. Общая высота шахты составляет примерно 16-23 м. Зона обжига занимает примерно половину всей высоты шахты.

Шахтные печи, отапливаемые природным газом, имеют преимущество над другими, так как получаемый материал более высококачественный. В них используют следующие виды горелок: балочные, периферийные, консольно-фурменные и осевые. Удельная производительность таких печей примерно 10,5-14,5 т/(м­­2×сут), а расход условного топлива - 136-182 кг/т продукции.

Таблица 1

Исходные данные для расчета печей

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Для определения конструктивных размеров рассчитывают время нахождения материала в печи, ч

,

,

,

где , ,- время нахождения материала соответственно в зоне нагрева, обжига и охлаждения, ч; r - средний радиус куска материала, м (по табл. П1);  - температура разложения материала, °С (табл. П2);  - температура материала, поступающего в печь,  = 25-35°С; - максимальная температура обжига, °С (табл. П1); = 0,9-0,95 - степень обжига материала.

= 40-80 мм = 40 мм;

= 32,5 °С;  = 940 °С;  = 0,93;  = 856 °С.

Шахтные печи работают непрерывно, поэтому годовой фонд рабочего времени установки будет  = 365 × 24 = 8760 ч.

Часовая производительность завода, кг/ч

,

где G - годовая производительность, кг/год, принимается по заданию; = 0,85-0,95 - коэффициент использования оборудования в тепловых установках.

Полезный объем печей, м3

,

где g - удельный вес готового продукта, для извести g = 800 кг/м3.

Так как полезный объем шахтной печи находится в пределах  = 100-400 м3 = 280 м3, то количество печей, устанавливаемых на заводе, будет

.

Таким образом, полезный объем шахты одной печи, м3

,

а часовая производительность печи, кг/ч

.

Определяем конструктивные размеры печи:

средний диаметр печи, м

;

высота шахты, м

.

Рассчитываем часовые удельные съемы продукта, кг/ч:

с 1 м2 поперечного сечения шахты

;

Величины удельной производительности должны находиться в пределах = 200-700 кг/(ч × м2), = 20-40 кг/(ч × м3), в противном случае необходимо пересмотреть конструктивные размеры печи.

В нашем случае пересчета не требуется, т.к. часовой удельный съем продукта с 1 м2 поперечного сечения шахты удовлетворяет заданному уровню, чего вполне достаточно для приемлемости полученных конструктивных размеров печи.

При установившемся стационарном режиме работы печи ее тепловые зоны занимают следующие части (см. табл. 2).

Таблица 2

Распределение тепловых зон в шахтной печи

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Целью данного расчета является проверка возможности обеспечения требуемой температуры обжига материала или изделия. Для выполнения расчета выбираем по табл. П23 вид топлива, его месторождение, выписываем его состав и свойства [10]. Имеем газопровод Брянск-Москва.

;  = 37,31 МДж/м3;

Основные характеристики топлива по объемам воздуха и продуктов горения при α = 1, м3/м3:     = 10,0; = 11,22; =1,08;  = 7,93;  = 2,21.

; ;  = 1696 - средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, [кДж/(м3 . оС)].

 = 1696 - средняя объемная теплоемкость воздуха при температуре 200 оС, [кДж/(м3 . оС)].

Получение теплоносителя заданной температуры осуществляется путем сжигания топлива и смешения продуктов сгорания с газами, дополнительно вводимыми в зону горения. Такими газами могут быть воздух, рециркуляционные газы или инертный газ.

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

где  - теплотворная способность топлива, кДж/м3 (кДж/кг); ; ,  - соответственно теоретический объем дымовых газов и воздуха, м3/кг (м3/нм3); ,  - соответственно средняя теплоемкость дымовых газов и теплоемкость воздуха, кДж/(м3×°С), определяют по табл. П14 в зависимости от температуры;  - пирометрический коэффициент шахтных печей - 0,67¸0,73=0,72.  - температура обжига материала, °С, принимают для кусковых, сыпучих материалов и кирпича  = 900 °С;  - температура поданного на горение воздуха, °С, для шахтных печей - 200 °С.

Результаты расчетов действительных объемов продуктов сгорания сводят в табл. 3. Расчеты ведут на 1 м3 (при нормальных условиях) природного газа или на 1 кг жидкого или твердого топлива.

Начальная энтальпия продуктов горения

,[Дж/кг].

Для определения действительной температуры горения топлива  по  диаграмме (прил., рис. 1) находим энтальпию продуктов сгорания за вычетом теплоты, теряющейся в окружающей среде:

 ,[Дж/кг].

,[Дж/кг].

Если действительная температура горения является меньшей, чем необходимая температура обжига, то нужно пересмотреть выбор топлива и принять топливо с большей теплотворной способностью. =1610, значит или

Таблица 3

Объем продуктов сгорания

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Материальный баланс - 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 ведут на 1 кг готовой продукции. Сначала рассчитывают предварительный материальный баланс, содержащий некоторые неизвестные величины, а затем, после нахождения этих величин из уравнения теплового баланса, получают окончательные значения.

Р а с х о д н ы е с т а т ь и (кг)

Расход топлива , где  принимается из теплового баланса.

Расход воздуха

.

Количество известняка стандартного качества, необходимого для

получения 1 кг извести, равно 1,72 кг.

П р и х о д н ы е с т а т ь и (кг)

Выход извести - 1 кг

Выход углекислоты при разложении  = 0,664 кг, при разложении   = 0,005 кг. Общее количество

 = 0,664 + 0,005 = 0,669.

Количество выделившейся влаги из известняка  = 0,052 кг.

Уходящих газов из топлива

 ,

где  = 1,3 кг/м3 - средняя плотность дымовых газов.

Составляем таблицу сводного материального баланса при обжиге извести.

Таблица 4

Материальный баланс обжига известняка для получения 1 кг извести

Невязка баланса: 2,3 %< 5 %

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. Его составляют на 1 кг готового продукта при обжиге сыпучих материалов и на 1 час работы печи при обжиге формованных изделий. Тепловой баланс может составляться как для всей печи в целом, так и для отдельных технологических зон печи. Сначала составляют предварительный баланс, в который входят некоторые неизвестные величины. После их определения из уравнения теплового баланса составляется окончательный тепловой баланс.

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.

Зона охлаждения

П р и х о д т е п л а (кДж/кг)

С материалом, нагретым в зоне обжига:

 ,

где  - теплоемкость материала, кДж/(кг × °С), принимают по табл. П8 [16]. = 880 Дж/(кг × °С).

Р а с х о д т е п л а (кДж/кг)

С материалом, выгружаемым из печи:

,

где  = 40-50 °С - температура готового изделия (40 оС);

Во внешнюю среду (4 % от поступающего тепла):

.

С воздухом, проходящим через зону охлаждения:

.

Зона обжига

П р и х о д т е п л а (кДж/кг)

От горения топлива:

,

где  - искомое количество топлива, м3/кг (кг/кг);

С воздухом, приходящим из зоны охлаждения:

;

С материалом, поступающим из зоны подогрева:

,

где  - расход сырья для получения 1 кг изделия, кг, определяют из материального баланса.

Р а с х о д т е п л а (кДж/кг)

На разложение

,

где  » 1,608 кг - количество карбоната кальция в 1 кг известняка; = 1781000 Дж/кг - количество тепла, выделившееся при диссоциации известняка, кДж/кг, принимают по табл. П2.

.

С материалом, переходящим из зоны обжига в зону охлаждения

.

С продуктами горения топлива, переходящими из зоны обжига в зону подогрева

С углекислотой, выделенной при разложении :

,

где = 0,338 м3/кг - объем , выделившийся от разложения 1 кг известняка; - теплоемкость

 при , находят по табл. П14.

= 2169 [Дж/(кг. оС)]

Зона подогрева

П р и х о д т е п л а (кДж/кг)

С продуктами сгорания топлива

.

С углекислотой, выделенной при разложении :

.

Р а с х о д т е п л а (кДж/кг)

На испарение влаги из материала

,

где  = 2700 кДж/кг - энтальпия 1 кг воды при температуре испарения.

С углекислотой, выделяющейся при разложении :

,

где  = 0,009 кг - количество магнезита в 1 кг известняка; = 2667000 [Дж/кг] - количество тепла, выделившееся при диссоциации магнезита, кДж/кг, принимают по табл. П2.

На нагрев материала

.

В окружающую среду (2 % от всего поступающего тепла)

.

Унос продуктами горения из шахты

.

Определение расхода топлива и КПД установки

Количество топлива, необходимое для получения 1 кг материала в шахтных печах, определяют из теплового баланса зоны обжига. Для этого приравнивают приход тепла к его расходу и решают уравнение относительно . После того, как расход топлива (кг/кг, м3/кг) найден, его значение подставляют в материальный и тепловой балансы. Приходные и расходные статьи тепла по зонам сводят в общую таблицу теплового баланса печи (табл.5).

Таблица 5

Сводный тепловой баланс шахтной печи на 1 кг продукции

Удельный расход условного топлива определится

.

Для современных шахтных печей расход условного топлива составляет 13-14 %. Если полученный результат не удовлетворяет данным условиям, то необходимо пересмотреть тепловой баланс печи.

Но полученный результат удовлетворяет данным условиям и пересмотра теплового баланса не требуется.

Коэффициент полезного действия печи

 .

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР НА ГРАНИЦАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗОН И ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ ОБЖИГА

Для шахтных печей по данным действующих установок

Температура материала в зонах, °С:

подогрева от  до 850;

обжига от 850 до 1000;

охлаждения от 1000 до = 40 оС

Температура газов в зоне, °С:

подогрева от  = 200оС до ;

обжига от = 480 оС до =1737 оС;

охлаждения от = 480 оС до = 30 оС

причем

Все полученные результаты сводят в табл. 6 и строят кривую обжига, по оси абсцисс откладывают время обжига изделий , ч, длину печи (высоту для шахтных печей) L, м.

Таблица 6

Температуры материала и газов

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.

Подбор тягодутьевого оборудования

Рассчитывают гидравлическое сопротивление, Па, для зоны:

Подогрева

,

;

Горения

,

;

Охлаждения

,

,

где  - коэффициент сопротивления, определяют в зависимости от числа Рейнольдса (Re) в данной зоне по рис. 4;  - удельная производительность печи с 1 м2, кг/(м2×ч); , ,  - высота зон подогрева, обжига, охлаждения, м;  - средний размер кусков обжигаемого сырья, м, принимают по табл. П1.

Общее аэродинамическое сопротивление печи будет равно

.

Полное расчетное давление дымососа с учетом коэффициента запаса (40 %), Па

.

При подаче горячих газов в дымосос ( > 100 °С) его напор Рt и производительность Vt рассчитывают при действительной температуре

, Па;

, м3/ч,

где  = 480 - температура уходящих газов, °С, определяют в разделе 7 как температуру газов на выходе из зоны подогрева.

По объемному расходу  и давлению  по табл. П15 подбирают типоразмер дымососа и выписывают его характеристики.

Выбираем ДН-11,5 с производительностью 27,65.103 м3/ч и напором 2,76 кПа при температуре 200 °С; КПД равно 83%.

Масса без электрического двигателя 923 кг.

Марка электродвигателя: 4А200М6 (22 кВт).

Мощность электродвигателя дымососа, кВт:

,

где  - давление, создаваемое дымососом, Па;  - КПД дымососа.

Дымосос устанавливают на загрузочной площадке печи. Дымовую трубу делают невысокой, 10-15 м, и она служит только для отвода газов, направляемых в нее дымососом. Воздух в шахту печи нагнетается вентилятором, который соединен с нижней частью шахты над разгрузочным механизмом при помощи трубы.

Объемный расход воздуха, м3/ч

.

Подача дутьевого вентилятора для хорошо герметизированных печей должна быть не менее , м3/ч, при расчетном давлении воздуха  = 2200 Па. По табл. П16 подбирают центробежный вентилятор высокого давления серии ВВД и выписывают КПД вентилятора , число оборотов А.

Подбираем вентилятор ВВД-11. Производительность 13.103 м3/ч. А = 1400 об/мин;  = 0,58; Р = 6 кПа.

Угловую скорость рассчитывают:

, рад/с,

где N - номер вентилятора.

Расчетная мощность электродвигателя, кВт

.

Подача газа в печь и его горение должны обеспечить равномерную температуру по сечению печи и не допустить недожога или пережога материала. Единственным способом сжигания газа в печи является диффузионный метод, особенность которого - раздельная подача газа и воздуха. В шахтных печах применяют следующие виды горелок: балочные, периферийные, консольно-фурменные и осевые. Хороших результатов добиваются при использовании консольно-фурменных горелок - это горелочная труба, установленная в специальной фурме, которая выдвинута на 10 см внутрь печи. Их также располагают по периметру печи. При подаче газа в рабочую камеру газ на выходе из горелки должен иметь давление не менее 2450 Па. Содержание кислорода в газе не должно превышать 1 %. Объемный расход топлива, м3/с, при заданной производительности составит

.

Выберем консольно-фурменные горелки.

Для консольно-фурменных горелок задаются числом рядов горелок (k = 2-4 = 3), тогда число горелок:

.

где R - радиус шахты печи на уровне установки горелок, м, ; п = 0,6-0,9 = 0,8 м - величина проникновения факела в глубину слоя.

Диаметр сопла, м

,

где - скорость истечения газа (38-45 м/с) = 40 м/с.

Загрузочное и выгрузочное устройства

Загрузочный механизм печи состоит из подвижной чаши и колокола, закрывающего выходное отверстие чаши. Известняк, поступающий в чашу в момент подъема колокола, просыпается в неподвижную чашу, из которой выгружается при опускании колокола. Подвижная чаша приводится в движение от электродвигателя через редуктор и конические шестерни. Подбирают типоразмер загрузочного устройства по табл. П17 в зависимости от производительности печи.

Выгрузочное устройство представляет собой набранную из отдельных чугунных колосников решетку, совершающую возвратно-поступательное движение. Выбор выгрузочного устройства также зависит от производительности печи (табл. П18).

Таблица 7

Технические характеристики загрузочного устройства

Таблица 8

Технические характеристики выгрузочного устройства

КОМПОНОВКА ОБОРУДОВАНИЯ

Компоновку технологического оборудования печи осуществляют, используя указания [11, 12, 13, 14] и типовые проекты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Вознесенский А.А. Тепловые установки в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1964. 439 с.

Вознесенский А.А. Повышение эффективности установок промышленной теплотехники. М., Л.: Энергия, 1965. 346 с.

Мазуров Д.Я. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов Ч. II/ Д.Я. Мазуров, М.И. Роговой, Ю.М. Волгина; М.: Стройиздат, 1966. 450 с.

Никифорова Н.М. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1981. 269 с.

Никифорова Н.М. Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов. М.: Высшая школа, 1974. 142с.

Павлов В.Ф. Теплотехника и теплотехническое оборудование заводов промышленности строительных материалов и изделий/ В.Ф. Павлов, Н.М. Никифорова; М.: Высшая школа, 1965. 572 с.

Перегудов В.В. Тепловые процессы и установки в производстве в технологии строительных изделий и деталей/ В.В. Перегудов, М.И. Роговой; М.: Стройиздат, 1983. 416 с.

Перегудов В.В. Теплотехника и теплотехническое оборудование. М.: Стройиздат, 1990. 336 с.

Роговой М.И. Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов/ М.И. Роговой, М.Н. Кондакова, М.Н. Сагановский; М.: Стройиздат, 1975. 320 с.

Роддатис К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности/ К.Ф. Роддатис, А.Н. Полтарецкий; М.: Энергоиздат, 1989. 487 с.

Сапожников М.Я., Справочник по оборудованию заводов строительных материалов/ М.Я. Сапожников, Н.Е. Дроздов; М.: Стройиздат, 1970. 487 с.

Справочник по проектированию цементных заводов. Л.: Стройиздат, 1969. 240 с.

Справочник по производству строительной керамики. М.: Госстройиздат, 1962. 464 с.

Строительная керамика. Справочник /Под ред. Е.Л. Рохваргера М.: Стройиздат, 1976. 493 с.

Чепель В.М. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий/ В.М. Чепель, И.А. Шур; Л.: Недра, 1980. 591 с.