Вращающаяся печь для кальцинации глинозема производительностью по гидроксиду алюминия G=27 т/час

Вращающаяся печь для кальцинации глинозема производительностью по гидроксиду алюминия G=27 т/час

ОГЛАВЛЕНИЕ

Реферат

.        Кальцинация гидроокиси алюминия

1.1   Назначение кальцинации

1.2    Аппаратурно-технологическая схема кальцинации

.3      Оборудование для кальцинации глинозема

.3.1   Трубчатые вращающиеся печи

.3.2   Тепловая работа вращающейся печи

.3.3   Барабанный холодильник

.3.4   Колосниковый холодильник

.4      Технологический режим кальцинации

.5      Очистка отходящих газов от пыли

.6      Неметаллургический глинозем

.        Расчет вращающейся печи для кальцинации глинозема

.1      Исходные данные для расчета

.2      Материальный баланс процесса кальцинации гидроксида алюминия

.3      Расчет горения топлива

.4      Определение основных размеров печи

.5      Тепловой баланс печи кальцинации

.        Расчет холодильника

.        Заключение

Библиографический список

РЕФЕРАТ

В данном курсовом проекте рассмотрены технологические особенности и аппаратурно-технологическая схема высокотемпературного процесса производства глинозема - процесса кальцинации. Описана конструкция и тепловая работа вращающейся печи для кальцинации глинозема, особенности температурного режима процесса. Даны принципиальные описания конструкций холодильников, мультициклонов, используемых в процессе кальцинации. Рассмотрены основные требования, предъявляемые к очистке отходящих газов от пыли. Дана краткая характеристика сточных вод.

В проекте произведен расчет горения топлива, материального и теплового баланса печи для кальцинации глинозема, определены основные размеры печи.

Пояснительная записка содержит 30 страниц машинописного текста, 4 рисунка, 4 таблицы.

1. КАЛЬЦИНАЦИЯ ГИДРООКИСИ АЛЮМИНИЯ

1.1    Назначение кальцинации

Цель кальцинации - обезвоживание гидроокиси алюминия и получение из нее практически негигроскопичного глинозема. Это достигается нагревом до температуры порядка 1200° С.

При нагреве гидроокись алюминия испытывает следующие превращения. При 110-120° С из гидроокиси начинается удаление внешней влаги, при 250° С гиббсит теряет две молекулы кристаллизационной воды и превращается в бемит; при 500-550° С бемит превращается в безводный γ-Al2О3 и в температурном интервале 850-1200° С происходит превращение γ-А12О3 в практически негигроскопичный α -Аl2О3.

Все эти превращения идут с поглощением значительного количества тепла (эндотермические процессы), кроме превращения γ-Аl2О3 в α-Аl2О3 (экзотермический процесс). Общие технологические затраты тепла на кальцинацию составляют примерно 850 ккал на 1 т прокаленного глинозема. Основное количества тепла затрачивается при нагреве материала до 500-600° С, когда происходит разложение гиббсита и испарение выделяющейся влаги.

Скорость фазовых превращений гидроокиси алюминия возрастает в присутствии фтористых соединений; одновременно снижается температура этих превращений. Поэтому добавка к гидроокиси алюминия небольших количеств соединений фтора позволяет увеличить производительность печей кальцинации и снизить расход топлива. Глинозем, полученный в присутствии фтора, имеет шероховатую поверхность, большую плотность и меньше пылит при транспортировке и загрузке в ванны. Однако такой глинозем медленнее растворяется в электролите и весьма абразивен, что затрудняет его пневмотранспорт.

Чистота глинозема практически определяется чистотой исходной гидроокиси; лишь очень немного примесей попадает в глинозем за счет истирания кладки печи. Крупность глинозема также в основном определяется размерами частиц гидроокиси.

1.2 Аппаратурно-технологическая схема кальцинации

На большинстве заводов кальцинация глинозема осуществляется в трубчатых вращающихся печах, а охлаждение прокаленного глинозема - в барабанных холодильниках.

Рассмотрим принципиальную аппаратурно-технологическую схему процесса кальцинации (рис. 1.1).

Промытый гидроксид алюминия из бункера с помощью пластинчатого питателя непрерывно подают в шнековый смеситель, куда одновременно поступает и уловленная технологическая пыль. Перемешаный с пылью гидроксид по наклонной загрузочной трубе поступает в рабочее пространство печи- Общее время пребывания материала в печи составляет 1,5-2 часа. Прокаленный глинозем затем охлаждают в холодильнике до 90-100°С и с помощью камерного насоса транспортируют в бункеры для хранения. Отходящие газы уносят из печи в виде пыли большое количество глинозема. Для улавливания пыли используют мультициклоны и электрофильтры. Очищенные газы через дымовую трубу выбрасывают в атмосферу.

Рис. 1.1      Принципиальная аппаратурно-технологическая схема процесса кальцинации: 1 - топочная камера; 2 - вращающаяся печь; 3 - шнековый смеситель; 4 -пластинчатый питатель; 5 - загрузочный бункер; б - дымовая труба; 7 - дымосос, 8 -электрофильтр, 9 - пневматический насос; 10 - мультициклоны; 11 - барабанный холодильник; 12 - короб для сбора охлаждающей воды; Т - подача топлива; В -воздух; KB - компрессорный воздух; ДГ - дымовые газы; М - материал; П - пылью

.3 Оборудование для кальцинации глинозема

.3.1   Трубчатые вращающиеся печи

Корпус печи представляет собой сварной металлический барабан диаметром до 5 м и длиной до 185 м, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Барабан сваривают из листовой стали толщиной 20-40 мм, что позволяет использовать его в качестве металлического каркаса, т.е. крепить к нему соответствующие конструкции (бандажи, тормоз и т.д.). Как правило, диаметр барабана по всей длине одинаков, но в некоторых печах для изменения скорости перемещения материалов в отдельных зонах при неизменном наклоне печи диаметр барабана изменяют.

Общий вид типовой конструкции вращающейся печи представлен на рис. 1.2.

Футеровка барабана работает в тяжелых условиях, что связано с периодическими колебаниями температур на поверхности кладки, обусловленными вращением печи и пересыпанием находящегося в ней материла. Перепады температур при входе и выходе из-под слоя шихты составляют 150... 200° С. В зоне кальцинации на футеровку сильное химическое и абразивное воздействие оказывает материал. В зоне сушки кладка подвержена значительному истиранию цепями или отбойным устройством. Основным материалом для футеровки печей глиноземных заводов служит шамот. Высокотемпературные зоны выкладывают из специального огнеупорного кирпича. Толщина футеровки обычно составляет 230...350 мм. Между металлическим кожухом печи и огнеупорной футеровкой закладывают тонкий слой засыпки (10...30 мм), которая является не только теплоизолятором, но и, прежде всего, выполняет функции температурного шва, позволяющего компенсировать расширение футеровки при ее нагреве. Чтобы предотвратить разрушение футеровки при остановках печи, барабан должен вращаться до ее полного охлаждения.

На наружной поверхности барабана закрепляют стальные бандажи в виде неразрывных колец шириной 400-800 мм. Опорные бандажи воспринимают всю нагрузку от массы барабана, достигающую 70-400т. Каждый бандаж опирается на два ролика, вращающиеся во время работы печи. Ширина роликов обычно на 50-100 мм больше ширины бандажа. Опорные ролики установлены на массивных стальных плитах, укрепленных на железобетонных фундаментах таким образом, что барабан печи имеет небольшой уклон к горизонту, составляющий 1-3 град. Как правило, уклон задают в процентах от общей длины печи (2-4%).

Между опорами барабан вращающейся печи испытывает напряжение на изгиб. Величина пролета между опорами зависит от диаметра барабана, его суммарной массы, толщины кожуха и т.д. и составляет 26-30 м. Иногда кожух дополнительно усиливается ребрами жесткости.

Рис. 1.2 Общий вид вращающейся печи:

- барабан печи; 2 - бандажи; 3 - уплотнительное устройство; 4 - топочная камера; 5 -топливосжигающее устройство; б - разгрузочная течка; 7 - опорные ролики; 8 -фундамент; 9 - привод барабана; 10 - газоотводная камера; 11 - отбойное устройство; 12 -шнековый питатель; 13 - электродвигатель вращения шнека; 14 - загрузочный бункер; 15 - труба для подачи в печь шихты самотеком; 16 - венцовая шестерня;

Барабан вращается вокруг своей оси со скоростью 0,6...2,0 об\мин. Регулирование числа оборотов барабана производят специальным устройством. Привод состоит из электромотора мощностью до 250 кВт специального редуктора и открытой зубчатой передачи, заканчивающейся большой венцовой шестерней. Для того чтобы барабан мог при нагреве свободно расширяться, венцовую шестерню прикрепляют к барабану при помощи пружин.

При вращении печи бандажи "катятся " по опорным роликам. Чтобы удержать наклонно расположенную печь от соскальзывания с опорных роликов, оси их устанавливают под небольшим углом по отношению к продольной оси печи (от 0° 10' до 0° 45'). Под воздействием такого разворота печь очень медленно поднимается вверх в направлении оси печи. При среднем коэффициенте трения между опорными роликами и бандажом корпус печи должен поддерживаться в среднем положении. Величина угла разворота опорных роликов зависит от массы печи, угла наклона барабана его диаметра.

Положение печи в продольном направлении фиксируется автоматически при помощи специальных упорных роликов с демпферами (демпфер - это приспособление для постепенного уменьшения механических колебаний путем поглощения части энергии колеблющейся системы) или гидроприводами, которые сообщают печи возвратно-поступательное движение с двойным ходом на 50...100 мм за 24 часа. С обеих сторон бандажа ближайшей к приводу опоры, а у мощных печей дополнительно еще у двух-трех бандажей установлены упорные ролики, вращающиеся на вертикальных осях. Эти ролики фиксируют положение печи вдоль ее оси и, следовательно, зацепление венцовой шестерни.

Для остановки вращения печи в любом положении служит электромагнитный тормоз, через обмотку которого во время работы печи постоянно пропускается ток. Когда подача тока прекращается, электромагнит выключается и отпускает колодки тормоза, которые и зажимают приводной вал.

Верхний торец печи входит в загрузочную камеру. Сухую шихту загружают в печь с помощью шнекового питателя через патрубок, расположенный в загрузочной камере. Пульпу подают в печь через пульповую трубу ковшом-дозатором или с помощью специальной форсунки. Уловленную пыль возвращают в печь вместе с шихтой, подавая ее либо в дозатор, либо в специальный смеситель.

Нижний конец печи входит в разгрузочную (или топочную) камеру. Между ней и барабаном ставят специальное кольцевое уплотнение, перекрывающее щель между вращающимся барабаном и неподвижной камерой. Уплотнительное устройство может быть выполнено виде входящих друг в друга лабиринтных колец, приваренных к корпусу и к головке печи. Холодный воздух, попадающий в кольцевой канал лабиринтного уплотнения, отсасывается из него вентилятором, что предотвращает попадание этого воздуха в печь.

В передней стенке топочной камеры предусматривают отверстие для установки горелочного устройства. Его конструкция зависит от вида используемого топлива. Однако, в любом случае необходимо учитывать, что со стороны топочной камеры в печи находится зона охлаждения, в которой температуру шихты необходимо снизить на 100-150° С. Это вызывает необходимость перемещения зоны горения в глубь барабана. Если топливную струю вводить непосредственно в топочную камеру, через которую поступает подогретый воздух, то горение топлива начнется уже на входе в барабан. Если же топливо подать в барабан, где воздушная и топливная струи становятся параллельными, то ухудшится их перемешивание и горение несколько сместится в глубь печи. Поэтому топливосжигающие устройства для вращающихся печей имеют, как правило, очень большую длину, позволяющую вводить их через топочную камеру прямо в барабан на расстояние, зависящее от длины зоны охлаждения. Снизу к топочной камере примыкает устье канала, по которому спек пересыпается в холодильник.

Для предотвращения налипания влажной шихты на стенки барабана и настылеобразования в холодном конце печи устанавливают цепные завесы. Их прикрепляют к барабану по всему сечению печи, выбирая длину зоны таким образом, чтобы температура газов в ней не превышала 700° С. Цепная завеса влияет не только на настылеобразование, но и на теплообмен между газами и шихтой.

1.3.2 Тепловая работа вращающейся печи

Тепловая работа печи характеризуется рядом показателей, важнейшими из которых являются тепловой и температурный режимы, производительность печи, удельный расход топлива и коэффициент полезного действия. Тепловой режим характеризует изменение во времени тепловой нагрузки, т.е. количества теплоты, подаваемой в печь в каждый момент времени, а температурный режим представляет собой изменение температуры печи во времени или по длине печи.

В рабочем пространстве вращающейся печи протекают процессы выделения теплоты при сжигании топлива, движения газовой среды и материала, внешнего и внутреннего теплообмена. От организации тепловой работы вращающейся печи зависит не только ее производительность и экономичность процесса производства глинозема, но и срок службы печи и качество конечного продукта.

Печь кальцинации работает по принципу противотока. Максимальную температуру и газы, и материал имеют со стороны топливной камеры, а минимальную со стороны загрузочной камеры. Нагреваемый материал вследствие наклона печного барабана и его вращения движется навстречу горячим топочным газам, которые охлаждаются. Температурный режим работы вращающихся печей не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологического процесса и в значительной мере определяется химическим и фракционным составом перерабатываемых материалов.

Рабочее пространство печи условно делят не четыре технологические зоны (рис. 1.3).

Первая зона, которую называют заной сушки, характеризуется полным испарением гигроскопической влаги гидроксида алюминия, причем температура шихты здесь не превышает 200° С. Температура газов в пределах зоны сушки снижается с 600 до 300° С.

Во второй зоне - зоне кальцинации - удаляется химически связанная влага, и гидроксид превращается в безводный γ -Аl2О3. Для этого материал необходимо нагреть до температуры 950° С. Поток движущихся газов в этой зоне охлаждается на 450° С (с 1050 до 600° С).

Третья зона - зона прокаливания - располагается в области горящего факела, что обеспечивает максимально высокую температуру газов (1400° С). Это позволяет нагреть шихту до 1250° С, обеспечивающих переход глинозема из γ -модификации в α -модификацию. Чтобы гарантировать полное завершение процесса прокаливания (т.е. максимальное содержание α-Аl2О3), время пребывания материала в зоне стремятся увеличить за счет большего, чем в других зонах, диаметра печного барабана.

Четвертая зона - зона охлаждения - как и в предыдущем случае, обеспечивает охлаждение готового глинозема до 1000° С. При нормальной работе печи кальцинации температура покидающих ее газов не должна быть выше 300° С, а содержание СО2 находится в пределах 13-15 %. Содержание СО не должно превышать 0,8 %.

Нужно учитывать, что качество готового продукта, получаемого во вращающихся печах, определяется не только кинетикой, но и движением материала, т.е. временем его пребывания в печи. Наличие в печи частиц с различными скоростями движения и неопределенность соотношения таких частиц в промышленных условиях из-за технологических нарушений, нарушающих установившийся режим, затрудняют надежный контроль и регулирование тепловой работы печей.

Рис. 1.3. Характер изменения температур газов и шихты по длине вращающейся печи для процесса кальцинации.

1.3.3 Барабанный холодильник

Окончательно глинозем охлаждается в холодильнике до 80-120° С. Барабанный холодильник - это стальной вращающийся барабан, имеющий наклон около 5 % в направлении, противоположном наклону печи, Длина его 25-50 м, диаметр 2,3-3,5 м, скорость вращения 2-3 об\мин. Холодильник имеет приводной механизм и опорные устройства, сходные с таковыми у печи. Верхний конец барабана холодильника изнутри футерован шамотным кирпичом, остальная часть не футерована.

Наружная поверхность барабана с помощью брызгал орошается водой, которая затем собирается в короб, расположенный под холодильником. Для улучшения теплообмена в нефутерованной части барабана имеются металлические полки. Нижний конец барабана входит в головку с сеткой, которая задерживает куски разрушившейся футеровки печи. Глинозем, прошедший через сетку, взвешивается и транспортируется в бункера готовой продукции.

1.3.4 Колосниковые холодильники

Используют в основном для печей с высокой производительностью. В основе конструкции лежит неподвижная или движущаяся решетка, на которую из печи по вертикальной шахте поступает горячий материал, укладываемый слоем толщиной 150...200 мм, высоту которого регулируют скоростью движения конвейера. Через слой непрерывно продувают холодный воздух. Нагретый воздух собирают в верхней части холодильника и подают затем в печь. Благодаря высокой эффективности перекрестной схемы теплообмена готовый продукт выходит из холодильника с температурой 50...90° С, подогретый воздух - с температурой 300...500 °С, обеспечивая более глубокое охлаждение материалов до 50... 70° С. При этом температура избыточного воздуха, выбрасываемого в атмосферу, составляет около 300° С, что обеспечивает КПД колосниковых холодильников около 85%.

При работе колосниковых холодильников необходимо обеспечивать максимальную рекуперацию теплоты, охлаждения материалов до минимально низких температур, минимальное пылеобразование и пылеунос, минимальный подсос наружного воздуха, минимальные эксплуатационные расходы и расход электроэнергии. Эти задачи решают изменением высоты слоя материалов на колосниках по всей длине холодильника за счет изменения скорости их перемещения и количества продуваемого воздуха, его распределения по камерам и поддержанием оптимального разрежения над колосниками.

1.4 Технологический режим кальцинации

Металлургический глинозем для электролиза алюминия должен содержать небольшое количество щелочи, легко транспортироваться, быстро растворяться в электролите и не пылить при транспортировке и загрузке в электролизные ванны.

Соблюдение норм технологического режима кальцинации обеспечивается системой автоматического контроля и регулирования, которая включает в себя автоматическое регулирование температуры отходящих газов, расхода и давления газа, контроль качества глинозема, его температуры при выходе из холодильника, состава отходящих газов и других параметров, определяемых технологической инструкцией.

Производительность печи кальцинации и качество получаемого глинозема прежде всего зависит от теплового режима печи, а также от того, на сколько равномерно питание печи гидроокисью. При нормальном тепловом режиме температура отходящих газов в зависимости от длины печи составляет 250-300°С. При слишком высокой температуре в печи усиленно разрушается футеровка; при пониженной температуре получается недостаточно прокаленный глинозем.

Прокаленный глинозем контролируют на содержание Na20, Si02, Fе2O3, п.п.п. α - модификации. Крупность глинозема определяется ситовым анализом.

Обслуживающий персонал отделения кальцинации должен следить за исправным состоянием механизмов, работой смазочных систем, охлаждением подшипников, состоянием футеровки печи и т.д.

1.5 Очистка отходящих газов от пыли

Цветная металлургия является одним из основных загрязнителей воздушного бассейна. Газы, образующиеся при осуществлении различных технологических процессов, связанных с производством цветных металлов, содержат значительное количество пыли, которая образуется при загрузке, транспортировке, пересыпании сыпучих материалов, в процессе нагрева и обжига кускового материала и т.д. Часто в горячих газах содержатся пары веществ, которые при последующем охлаждении газов конденсируются, переходя в жидкое или твердое состояние. Выбрасываемые в атмосферу газы могут нанести значительный ущерб окружающей среде и здоровью человека Следствием этого может быть нарушение экологического равновесия с негативными непредсказуемыми последствиями.

Основными путями борьбы с пылевыми выбросами в окружающее пространство являются совершенствование технологических процессов с доведением до минимума вредных выбросов, например, за счет внутрипечного пылеосаждения, и создания безотходных замкнутых технологических циклов.

Количество отходящих газов, которое необходимо очистить от пыли, определяется прежде всего мощностью технологического агрегата (в данном случае производительностью печи), а также спецификой технологического процесса. Количество подвергаемых очистке газов определяет производительность выбираемого пылеулавливающего устройства.

Дымовые газы, выходящие из печи кальцинации, уносят значительное количество глинозема в виде пыли. Количество отходящих из печи газов около 3 м3\кг глинозема, содержание пыли в них 450-600 г\м3.

Для улавливания пыли предусматривается система пылеулавливающих устройств. Часть пыли вследствие резкого снижения скорости газового потока оседает в загрузочной головке печи, из которой по течке поступает в пылесборник, расположенный под загрузочной головкой. Следующая стадия очистки происходит в мультициклонах, где улавливается 65-70 % пыли, а окончательно газы очищаются в электрофильтрах. Принцип действия электрофильтра заключается в следующем: загрязненный газ для очистки вводится в сильное электрическое поле, которое создается в электрофильтре между его электродами. Вокруг коронирующего электрода с меньшим радиусом, образуется корона, в области которой происходит интенсивное отделение электронов от молекул газа, которые заряжаются и предают свой заряд пылинкам, которые под действием электрополя направляются к отрицательному электроду, где осаждаются. Очищенный таким образом газ выбрасывают в атмосферу, а пыль осыпается в бункер. Степень очистки газа после электрофильтров должна быть не ниже 99,91 %.

Мультициклоны располагают над загрузочной частью печи, и уловленная пыль возвращается к загрузочной головке самотеком. От электрофильтров пыль транспортируется эжекционными пневмонасосами. Между мультициклонами и электрофильтрами установлен дымосос (эксгаустер), создающий необходимое разрежение в печи и избыточное давление в электрофильтрах. Уловленная пыль, количество которой достигает 100 % от поступающего на кальцинацию глинозема, возвращается в печь после предварительного смешения с гидроокисью или непосредственно в зону сушки. Запыленность газа после очистки может составлять 25 г\Нм3.

На охлаждение подшипников печей и холодильников, на вакуум-охладители подается оборотная вода. Сточные воды с печей и холодильников не должны содержать примеси глинозема, мазута, масла. Не должно быть также увеличения содержания щелочи в оборотной воде.

На предприятиях цветной металлургии газоочистку осуществляют путем различных комбинаций последовательно соединенных пылеулавливающих устройств, представляющих собой несколько ступеней очистки.

Высокой эффективности очистки газов от пыли, а также очистки сточных вод достигают прежде всего правильным выбором соответствующих типов пылеуловителей, очистителей и их правильной эксплуатацией. При выборе аппаратов для пылеулавливания необходимо учитывать начальную концентрацию пыли, ее дисперсность, химический состав, наличие агрессивных компонентов в газах, их расход, давление, влажность и температуру.

При выборе схемы следует учитывать и капитальные затраты, а также экологическую обстановку, оправдывающую зачастую даже значительные экономические затраты.

1.6 Неметаллургический глинозем

В настоящее время около 10 % мирового производства глинозема используется для неметаллургических целей: изготовления специальных видов керамики, катализаторов для химической и нефтехимической промышленности и свечных изоляторов для двигателей внутреннего сгорания, в электронной технике, для шлифовки и полировки различных изделий и др.

Ряду потребителей глиноземные заводы поставляют промежуточный продукт производства глинозема - гидрат окиси алюминия для производства фтористых солей. Различают марки ГК, ГН, ГКК, ГдО, Гд1 и т.п. Все они должны соответствовать требованиям ТУ - 48-5-128-79.

2. РАСЧЕТ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ДЛЯ КАЛЬЦИНАЦИИ ГЛИНОЗЕМА

2.1 Исходные данные для расчета

Заданная производительность печи по гидроксиду алюминия G = 27 т/час.

Состав исходного гидроксида алюминия, % приведен в табл.2.1

Таблица 2.1

Состав исходного гидроксида алюминия

В качестве топлива в печи используют природный газ следующего состава (табл.2.2):

Таблица 2.2

Топливо сжигают при коэффициенте расхода воздуха α=1,1. Максимальная температура прокалки составляет 1200°С. Температура глинозема, поступающего в холодильник, равна 1000°С. Влажность гидроксида алюминия 12 %. Температура гидроксида алюминия, поступающего в печь, равна 45°С. Влагосодержание 1м3 сухого газа равно gС.Г. = 5,1 г/м3.

2.2 Материальный баланс процесса кальцинации гидроксида алюминия

Принимаем, что остаточное содержание воды в глиноземе Н2Осв составляет 0,4 %. По практическим данным, количество возврата пыли составляет 900 кг на 1 т глинозема. Принимаем, что состав пыли близок к составу исходной шихты с учетом ее обезвоживания.

Кальцинация гидроксида алюминия протекает по реакции:

А1(ОН)3 = Аl2О3 + ЗН2О

В соответствии с этим уравнением, две молекулы гидроксида алюминия (молекулярная масса 78) превращается в одну молекулу глинозема Аl2О3 (молекулярная масса 102). Тогда количество гидроксида из стехиометрических соотношений составит на 1 тонну глинозема       1,0 · 2 · 78/102 = 1,529 т .

Количество компонентов гидроксида алюминия следует определять, исходя из его химического состава (табл. 1).

Количество компонентов глинозема определяем, исходя из общей приходной суммы этих компонентов и состава выходящих из печи массовых потоков.

Результаты расчета материального баланса процесса кальцинации представлены в табл.2.3.

Таблица 2.3

Материальный баланс процесса кальцинации

2.3 Расчет горения топлива

Принимаем, что при сжигании природного газа во вращающейся печи используется горелочное устройство с частичным перемешиванием. Примем величину химического недожога q3/Qнp = 2 %. Коэффициент расхода воздуха α= 1,1.

При влажности газа gH2О =5,1 г/м3 содержание водяных паров в газе равно:

Для метана:

;

Остальных:;

;

;

;

;

Расход кислорода на горение будет равен:

;

Теоретический расход воздуха на горение:

,        где k = ;

Действительный расход воздуха на горение:

;

Объемы отдельных составных продуктов сгорания равны

;

;

;

;

Общее количество продуктов сгорания:

;

Состав продуктов сгорания равен:

Теплоту сгорания топлива определяем по выражению:

Химическую энтальпию продуктов сгорания с учетом химического недожога вычисляем по выражению:

;

Содержание воздуха в продуктах сгорания равно

;

Тогда по " i - t "- диаграмме теоретическая температура горения природного газа составляет tα = 1920°С

Действительная температура горения при пирометрическом коэффициенте

2.4 Определение основных размеров печи

Диаметр барабанной печи определяем по формуле D = l,13, где

D - внутренний диаметр рабочего пространства, м;

Vt - действительный расход газов, равный сумме объемов продуктов сгорания топлива и технологических газов, м3/с;- скорость движения газов в рабочем пространстве. Ее величину выбирают из условий обеспечения min пылевыносе из рабочего пространства в интервале 4...10 м/с,

При принятом пылевыносе из печи принимаем скорость движения газов на уровне 10 м/с.

Производительность печи по глинозему составит:

;

Среднее время пребывания шихты в печи:

;

Объем газообразных продуктов горения определяем по выражению:

,

где q' - уд. расход теплоты на 1т глинозема. По опытным данным его значение можно принять равным 5650 кДж/кг; mгл - выход глинозема, т.

;

Общее количество отходящих из печи газов равно сумме продуктов сгорания и технологических газов (водяных паров плотностью 0,804 кг/м3), полученных при кальцинации гидроксида алюминия (см. табл.3):

;

Секундный расход отходящих газов с учетом среднего времени пребывания материалов составит:

;

С учетом средней температуры газов в печи

вращающийся печь кальцинирование глинозем

расход отходящих газов будет равен

Тогда в соответствии с формулой

;

При использовании двухслойной футеровки, состоящей из высокоглиноземистого кирпича размером 250 мм, слоя тепловой изоляции 30 мм, и толщине стенки кожуха 20 мм:

Общую длину печи определяют как сумму длин отдельных ее зон Ln = Σ Li , где i=1; Li - длина каждой i -той технологической зоны.

По длине печь кальцинации можно поделить на 4 зоны.

Зона сушки - наиболее холодная часть печи. Здесь газы меняют температуру от 250 до 600°С. На протяжении этой зоны происходит полное испарение гигроскопической влаги гидроксида алюминия.

Зона обезвоживания и кальцинации. В ней газы изменяют температуру от 600 до 1050°С. Нагреваемый материал изменяет температуру от 200 до 950°С. В этой зоне полностью удаляют химически связанную влагу, а гидроксид превращается в безводный γ -Аl2О3.

Зона прокаливания находится в области горящего факела. На протяжении этой зоны происходит превращение примерно 25-30 % γ -Аl2О3 в α -Аl2О3. Газы в этой зоне изменяют температуру от 1050 до 1400° С. Материалы изменяют температуру от 950 до 1250° С.

В зоне охлаждения температура прокаленного глинозема снижается с 1250 до 1000° С.

Длину зоны сушки определяют по формуле

,

где Gгл - кол-во глинозема, проходящего через зону в час, т/ч;’ и W”- начальная и конечная влажность гидрата, выраженная в долях единицы;

ω - допустимое напряжение рабочего пространства сушильной зоны по удаляемой влаге (0,07...0,09 т\м2·ч);

F - площадь поперечного сечения рабочего пространства печи, м2.

Исходная влажность гидрата (по условию) составляет W’ = 8 %. Величину конечной влажности принимаем равной 0.

С учетом способа загрузки (через загрузочную трубу-течку) напряжение рабочего пространства сушильной зоны по влаге ω принимаем равным 0,05 т/м2·ч.

Длину зоны обезвоживания и кальцинации определяем по формуле

, где

гл - производительность зоны с учетом изменения массы шихты в результате выделения газов и пылеуноса, т/ч,

Qл - затраты теплоты в зоне на компенсацию тепловых потерь, эндотермических рекций и физическую теплоту газов и пыли, кДж;

X - ширина поверхности слоя материала, м;

Д - длина участка закрытой поверхности слоя материалов в поперечном сечении печи, на котором он контактирует с кладкой, м;

qл - лучистый тепловой поток на материал от газов и кладки, Вт/м2,

qк - конвективный тепловой поток, Вт/м2;

qл’ - лучистый тепловой поток от кладки к материалу при их непосредственном контакте, Вт/м2.

Производительность печи по глинозему рассчитывается по формуле

,

где m - расход продукта на 1 т исходного материала, определяемый из материального баланса печи, т/ч.

В этой зоне теплопоглощение идет:

• на нагрев шихты до температуры (200+950) / 2 = 575°С (с учетом 25 % пылевыноса):

;

где 0,532 - теплоемкость шихты, кДж/(кг · К );

• испарение влаги и нагрев паров Н2О:

;

где 2257 - уд. теплота испарения влаги, кДж/кг;

,376 · 4,1868 = 1,574 - теплоемкость паров воды, кДж/(моль · К),

• подогрев пыли до 875 °С:

;

• разложение гидроксида алюминия по реакции:

А1(ОН)3 = Аl2О3 + ЗН20 - 2580 кДж ,

;

Где 78 - молекулярная масса гидроксида алюминия,

- молекулярная масса глинозема.

В итоге теплопотребление в зоне кальцинации составит:

,74 + 725995,62 + 90373,5 + 1779810 = 2894493,9 кДж

Ширину слоя (хорда 1х) и контактную поверхность его с барабаном (lq) определим исходя из соотношений размеров сегмента материалов в поперечном сечении участка (рис.2.1) по выражениям:

Рис. 2.1

 ;

;

где α - центральный угол шихты в поперечном сечении печи, который для зоны подогрева может быть принят равным 80...85 град., а для зоны кальцинации 75...80 градусам

Из практических данных принимаем центральный угол в зоне кальцинации 82,50:

;

;

Эффективную длину лучей газового потока определяем по формуле:

; где

ПЕР - периметр свободного сечения печи, м

;

Исходя из практических данных, коэффициент заполнения печи в зоне кальцинации можно принять 5...9 %. Принимаем его равным 7,0 %. Тогда

;

Эффективная длина лучей составит:

;

Определим состав газов по зонам.

В соответствии с результатами расчета процесса горения топлива в продуктах сгорания 100мЗ природного газа присутствует СО2;Н2О; О2; N2 или всего 1142,892мЗ. При расходе топлива на процесс около 25 % от веса сухого гидроксида алюминия общий объем газов составит .

В зоне прокаливания общий объем и состав газов не изменяются.

В зоне кальцинации в газ переходит связанная вода в количестве 777,28 кг/т, или .

Общий объем газов составит:

,723 + 967,3 = 1253,023 мЗ.

Средний объем газов равен:

,723 + 976,3 · 0,5 = 773,873 мЗ.

Содержание СО2 и Н2О в газах составит:

;

;

В зоне сушки в газы переходит гигроскопическая влага в количестве

.

Общий объем газов в этом случае равен: 1253,023 + 241,8 = 1494,823 мЗ;

Средний объем газов: 1253,023 + 120,9 = 1373,923 м3;

Состав газов в зоне сушки будет таким:

;

;

Среднюю температуру в зоне кальцинации находим по формуле логарифмического усреденения между газами и материалом

Принимаем =1250° С;  = 825° С, =575° С, определяем среднюю температуру в зоне кальцинации:

Степень черноты газов находим по графикам (Л1., рис.5.2...5.4).

При кПа·м и  = 1003 °С степень черноты составит = 0,095.

Тогда степень черноты газов составит

= 0,622 + 0,095 = 0,717.

Степень развития кладки определяется по выражению

; где

 - площадь контакта газов с корпусом в рабочем пространстве печи;

Fш - площадь контакта шихты с газом.

Вычисляем приведенный коэффициент излучения системы «газ - кладка - материал»:

где εM - степень черноты материала, принимаемая равной 0,75.

;

Определяем величину лучистого теплового потока:

;

где Тг, Тм - средние температуры газов и материала в пределах зоны;

Средняя скорость движения газов в зоне кальцинации равна:

; где

 - поперечное сечение рабочего пространства печи, м2;

Fм - площадь сечения, занятого в печи материалом, м2.

Тогда определим конвективный тепловой поток:

;

Средняя температура кладки составит Tк == 789° С. Тогда в соответствии с выражением;

,

где Ткл - средняя (по рассчитываемой зоне) температура кладки, К.

Определяем тепловой поток от кладки к материалу:

;

Учитывая определенные выше величины и воспользовавшись формулой, рассчитаем длину зоны кальцинации:

;

Протяженность зон прокалки и охлаждения рассчитываем по необходимому времени пребывания шихты и глинозема в печи по формуле L = ωм·τ. Принимаем для зоны прокалки τпр = 0,4 ч, а для зоны охлаждения τохл = 0,25 ч.

Скорость движения материалов находим по формуле

,

где γ - угол наклона, n - скорость вращения печи, об/мин, β - угол естественного откоса материалов (для зоны спекания sinβ = 0,75...0,85; для зоны охлаждения sinβ = 0,7...0,75).

Примем γ = 2,5 %, скорость вращения печи n = 1,0 об/мин.

Пусть синус угла естественного откоса материалов в зоне прокалки составит 0,8, а для зоны охлаждения - 0,72

Тогда скорость движения материалов в зоне прокалки равна

;

а в зоне охлаждения

;

Следовательно, Lпp = 15,63 · 0,4 = 6,25м, Loxл = 17,36 · 0,25 = 4,34 м.

Полная длина печи составит 5,18 + 51,31 + 6,25 + 4,34 = 67,08 м.

Принимаем длину печи равной 67 м.

2.5 Тепловой баланс печи кальцинации

Расчет теплового баланса ведем на 1 т Аl2О3.

.        Статьи прихода

1.1.   Теплоту от сгорания топлива определяем из расчета горения топлива: кВт/ч:

, кВт.

.2 При использовании колосникового холодильника воздух подогревается до температуры 300 0С. Тогда физическую теплоту воздуха, кВт, определяем по формуле:

;

где Св - средняя теплоемкость воздуха, кДж/ (м3 · К); tB - температура подогретого воздуха,0 С.

.3.     Физическая теплота шихты составляет:

;

.4.     Учитывая, что в готовом глиноземе содержится 30 % α-Аl2О3, определим тепловой эффект экзотермической реакции превращения γ-Аl2О3→α-Аl2О3+92110 кДж/т (Н°-величина теплового эффекта реакции при стандартных условиях: Р = 0,1 мПа, Т = 298 К, кДж/моль):

;

Общий приход теплоты в печь составит:

,57B + 4102,8В + 119992,6 + 27633 = 39715,37В + 147625,6

2.      Статьи расхода:

.1      Физическая теплота глинозема при температуре 1000оС составляет:

= 0,841500 ∙ 1000 ∙ 1000 = 841500 кВт,

где mгл - масса материала, нагреваемого в единицу времени, кг/с (табл.3).

.2.     Физическая теплота пыли равна:

= 900 ∙ 0,9 ∙ 250 = 202500 кВт;

.3.     Теплота эндотермических реакций разложения Аl(ОН)3 и испарения внешней и кристаллизационной влаги в соответствии с п.2.2 и табл.3 составляет:

; где

мат - затраты теплоты на нагрев высушиваемого материала до температуры сушки, кВт;

- удельная теплота испарения влаги, кДж/т;

Qисп - затраты теплоты на испарение влаги, кВт;

Qвл - затраты теплоты на перегрев испаренной влаги до температуры печи, кВт.

Qэнд = 1779810 + 2257 ∙ (194,32 + 777,28) = 3972711,2 кВт.

.4.     Теплота отходящих газов равна

где Сд - (Л1 табл. 4.2 для 1000° С);

.5.     Определяем потери теплоты через стенки в окружающую среду принимаем:

•        в зоне сушки температура материала на входе составляет 40оС, на выходе 200°С, в среднем °С;

•        температура газов на входе в зону сушки составляет 600°С, на выходе 250° С, в среднем °С.

Потери теплопроводностью через цилиндрическую стенку для каждого из температурных участков имеет вид:

; где

п - температура в рабочем пространстве печи, оС,

aвн - коэффициент теплоотдачи от печных газов к внутренней поверхности кладки, кВт/(м2 ∙ К);

aн - то же от наружной поверхности кладки к окружающему воздуху.

Принимаем равным 16,0 Вт/(м2 ∙ К), = 0,06 (м2 ∙ К)/Вт;

li - коэффициент теплопроводности материала соответствующего слоя, Вт/(м ∙ К);

Fкл - среднее значение поверхности кладки, м2;

кл = 0,5 (Fкл+Fкл);

/λ - тепловое сопротивление стенки. Принимаем равным 0,163;- толщина стенки,

λi - коэффициент теплопроводности материала соответствующего слоя стенки. Для каррборундового легковеса принимаем равным 1,5337 Вт\(м. К) (Л1 табл.4.5); n - количество слоев в стенке барабана;

tвн, tнар - температура внутренней и наружной поверхностей, оС;

, ri - наружный и внутренний радиусы слоев.

Тогда общее количество теплоты в зоне сушки составит:

;

В зоне обезвоживания и кальцинации принимаем:

•        что температура материала на входе составляет 200°С , на выходе 950°С, в среднем = 575°С;

•        температура газов на входе в зону составляет 1050°С, на выходе 600°С , в среднем (1050 + 600) = 825°С.

Тогда:

;

В зоне прокалки принимаем:

•        температура материала на входе составляет 950 °С, на выходе 1250° С, в среднем =1100° С;

•        температура газов на входе в зону составляет 1400 °С, на выходе 1050° С, в среднем 1225° С.

Тогда потери теплоты в окружающую среду в зоне прокалки составят:

;

В зоне охлаждения принимаем:

•        температура материала на входе составляет 1250 °С, на выходе 1000 °С, в среднем °С;

•        температура газов в среднем по зоне составляет 300 °С.

Тогда:

;

В итоге потери теплоты в печи за счет теплопроводности составляют:

;

Потери тепла излучением через торцы печи в сторону холодной головки определяем по формуле:

; где

Тг.max - температура зоны, в которой горит факел;

Tгол - ориентировочная температура головки, принимаемая равной

,5 ∙ (tв + tмат) + 273 К;

С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт ∙ (м ∙ град);бар - площадь поперечного сечения барабана;

Ф - коэффициент диафрагмирования.

Поскольку последняя зона, где горит факел, это зона прокалки, имеющая максимальную температуру газов 1400 °С, то Тmах=1400+273=1673К. Определим температуру холодной головки по формуле:

; где

tматк - температура выгружаемого из печи материала, оС

tв - изменение температуры за счет продольного лучистого теплопереноса из высокотемпературной зоны в головку, оС

Принимаем в первом приближении:

К;

Тогда:

;

С поправкой на ∆tлуч получим

;

При внутреннем диаметре печи 2,66 м и длине зоны охлаждения 4,34 м коэффициент диафрагмирования по графику равен 0,38.

Тогда:

;

Расход теплоты равен:

Составляем уравнение теплового баланса:

Часовой расход топлива составит

Вt = В ∙ Gгл = 155,4 ∙ 17,66 = 2744,364 м3/ч.

Итоговый тепловой баланс представлен в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Тепловой баланс печи кальцинации производительностью по гидроксиду алюминия 27 т/ч

Удельный расход условного топлива определяем по выражению:

кг условного топлива/т глинозема.

Коэффициент полезного действия печи определяем по формуле:

;

где Qглин - полезно затраченная теплота процесса;

Qприхода - приходная часть теплового баланса печи.

.

3.     
РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА

Рекуператорный холодильник представляет собой группу барабанов, расположенных вокруг загрузочной части вращающейся печи, которые непосредственно прикреплены на ее корпусе. Такого типа теплообменники работают по тому же принципу, что и барабанные холодильники, установленные отдельно от печи. Их отличительная особенность заключается в том, что практически весь воздух, засасываемый в печь, участвует в охлаждении готового продукта благодаря полной герметизации сопряжения барабанов печи и холодильника.

Расчет рекуператорного холодильника:

По производительности по глинозему равной 17,66 т/ч.

. Общий расход воздуха:

;

. Действительный расход воздуха, проходящего через холодильник, составляет 65% от общего расхода воздуха, поступающего для горения:

;

. Скорость воздуха в холодильнике составит:

;

. Тепловой поток, переданный в холодильнике, рассчитываем по формуле:

;

. Параметры холодильника при LX=4,6DX;

;

;

DX=0,914 м; LX=0,914 · 4,6= 4,2 м.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В мире накоплен значительный опыт конструирования и эксплуатации печей различного назначения. Большое разнообразие конструкций печей, применяемых в промышленности, обусловлен, прежде всего, чрезвычайно широким спектром технологических процессов, осуществляемых при производстве и дальнейшей тепловой обработке разнообразных материалов. Диапазон рабочих температур может изменяться в широких пределах. Вот почему при выборе конструкции и исходных данных, необходимых для расчета промышленной печи, следует, прежде всего, учитывать особенности технологического процесса, осуществляемого в данном агрегате.

Основное назначение металлургической печи состоит в том, чтобы создать в рабочем пространстве, изолированном от окружающей среды, наиболее благоприятные условия для реализации соответствующего технологического процесса, при этом необходимо учитывать закономерности, характеризующие процесс теплогенерации, механизм движения газов и теплообмен. Необходимо принимать во внимание взаимосвязь между условиями работы данной печи и условиями работы огнеупоров; возможность внутрипечного пылеосаждения или создание надежных систем очистки отходящих газов от пыли и т.д. Надежно работающая печь с экономным и рациональным использованием ее тепловой мощности является той базой, на основе которой можно решить практически любые технологические вопросы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.      Теплотехнические расчеты печей глиноземного производства: Учебное пособие для вузов/ С.Н. Гущин, С.Г. Майзель, В.И. Матюхин, В.А. Гольцев. Екатеринбург: УГТУ, 2000.-230с.

.        Лайнер А.И. и др. Производство глинозема.- М., Металлургия, 1978.- 344с.

.        Гущин С.Н., Маркин В.П. Проектирование металлургических печей/ Методические указания к курсовому проектированию,- Свердловск, изд. УПИ, 1991.

.        Металлургия алюминия/ И.А.Троицкий, В.А. Железнов, - М.: Металлургия, 1977.- 392 с.