Расчет воздухонагревателя доменной печи

Расчет горения топлива

Состав природного и доменного газов, %.

Газ	CO	СО2	СН4	С2 Н4	С2 Н6	С3 Н8	С4 Н10	H2	N2	О2	W г/м3
Природный	-	0.5	87.6	1.3	2.9	0.8	0.5	-	5.7	0.7	-
Доменный	27.6	9.8	0.7	-	-	-	-	3.5	58.1	0.3	45

1. Пересчитываем состав сухого газа на влажный. Объем влаги в 100м3
доменного газа:

Н2
О=(W*100)/(803.6+W)=(45*100)/(803.6+45)=5.3%

2. Коэффициент пересчета на влажный газ:

kд
=(100-5.3)/100=0.947

3. Состав влажного доменного газа:

СОвл
= kд
*СО=0.947*27.6=26.14%

СО2вл
= kд
*СО2
=0.947*9.8=9.28%

СН4вл
= kд
*СН4
=0.947*0.7=0.66%

Н2вл
= kд
*Н2
=0.947*3.5=3.31%

N2вл
= kд
*N2
=0.947*58.1=55.02%

О2вл
= kд
*О2
=0.947*0.3=0.28%

4. Состав влажных газовв %:

Газ	СО2	СО	Н2	N2	СН4	О2	Н2 О
Доменный	9.28	26.14	3.31	55.02	0.66	0.28	3.6

5. Вычислим теплоту сгорания газов:

а)для природного газа:

=0.127CO+0.108H2
+0.358CH4
+0.586C2
H4
+0.636C2
H6
+

+0.913C3
H8
+1.185C4
H10
=0.358*87.6+0.586*1.3+0.636*2.9+

+0.913*0.8+1.185*0.5=35.28 [мДж/м3
]

б)для доменного газа:

=0.127CO+0.108H2
+0.357CH4
=0.127*26.14+0.108*3.31++0.358*0.66=3.91 [мДж/м3
].

6. Определим состав смеси. Доля доменного газа в смеси:

1-X – природный газ

X – доменный газ

х=(-)/(-)=(35.28-8)/(35.28-3.91)=

=0.869 [мДж/м3
].

7. Доля природного газа:

1-х=1-0.869=0.131

8. Состав смешанного газа:

СОсм
=СОд
*х+СОп
(1-х)=26.14*0.869=22.7%

СО2см
=СО2д
*х+СО2п
(1-х)=9.28*0.869+0.5*0.131=8.13%

СН4см
=СН4д
*х+СН4п
(1-х)=0.66*0.869+87.6*0.131=12.05%

С2
Н4см
=С2
Н4д
*х+С2
Н4п
(1-х)=1.3*0.131=0.17%

С2
Н6см
=С2
Н6д
*х+С2
Н6п
(1-х)=2.9*0.131=0.38%

С3
Н8см
=С3
Н8д
*х+С3
Н8п
(1-х)=0.8*0.131=0.1%

С4
Н10см
=С4
Н10д
*х+С4
Н10п
(1-х)=0.5*0.131=0.06%

Н2см
=Н2д
*х+Н2п
(1-х)=3.31*0.869=2.87%

N2см
=N2д
*х+N2п
(1-х)=55.02*0.869+5.7*0.131=48.56%

О2см
=О2д
*х+О2п
(1-х)=0.28*0.869+0.7*0.131=0.33%

H2
Oсм
=Н2
Од
*х+Н2
Оп
(1-х)=5.3*0.869=4.6%

Состав смешанного газа в %:

Газ	CO	СО2	СН4	С2 Н4	С2 Н6	С3 Н8	С4 Н10	H2	N2	О2	W г/м3
ПДС	22,7	8,13	12,05	0,17	0,38	0,1	0,06	2,87	48,56	0,33	4,6

9. Расход кислорода на горение:

=0,01*((22,7+2,87)*0,5+2*12,05+3*0,17+3,5*0,38+5*0,1+

+6,5*0,06-0,33)=0,393 [м3
/м3
].

10. Теоретически необходимое количество воздуха:

L0
=(1+3,762)*0,393=1,87 [м3
/м3
].

11. Действительное количество воздуха при n=1.1:

Lд
=n*L0
=1.1*1,87=2.06 [м3
/м3
].

12.Количество продуктов горения:

a) Vсо2
=(СО+СО2
+СН4
+2С2
Н4
+2С2
Н6
+3С3
Н8
+4С4
Н10
)*0.01=

(22,7+8,13+12,05+2*0,17+2*0,38+3*0,1+4*0,06)*

*0.01=0.4452 [м3
/м3
]

б) Vн2
о=(2СН4
+2С2
Н4
+Н2
+Н2
О+3С2
Н6
+4С3
Н8
+5С4
Н10
)0.01=

=(2,87+2*12,05+2*0,17+3*0,38+4*0,1+5*0,06+4,6)*

*0.01=0.3375 [м3
/м3
]

в) VN2
=0,01N2
+nkVо2
=0,01*48,56+1,1*3,762*0,393=

=2.1119 [м3
/м3
]

г) V°
о2
=(n-1)*Vо2
=(1.1-1)*0,393=0.0393 [м3
/м3
]

13. Общее количество продуктов горения:

Vпс
=Vсо2
+Vн2
о+VN2
+Vо2
=0.4452+0.3375+2.1119+0.0393=

=2.9339 [м3
/м3
]

14.Состав продуктов горения:

СО2
=(Vсо2
*100%)/Vпс
=(0.4452*100%)/2,9339=15.17%

Н2
О=(Vн2
о*100%)/ Vпс
=(0.3375*100%)/2,9339=11,5%

N2
=(VN2
*100%)/Vпс
=(2.1119*100%)/2,9339=71,98%

О2
=(Vо2
*100%)/Vпс
=(0.0393*100%)/2,9339=1.35%

Состав продуктов горения в %:

СО2	Н2 О	N2	О2	Сумма
15,17%	11,5%	71,98%	1,35%	100%

15. Теплота сгорания природно-доменной смеси (по заданию): 8[мДж/м3
].

Определение количества продуктов сгорания, поступающих в насадку, и его параметров

16. Определяем энтальпию продуктов сгорания;

приймем tв
=20°C, iв
=26.1 [кдж/м3
]

==2745.07 [кДж/м3
].

Определяем калориметрическую температуру продуктов сгорания. В первом приближении калориметрическую температуру продуктов сгорания принимаем равной t’кал
= 1600°С.

i1600
==

= 2630,89 [кДж/м3
]

Так как i0
>i1600
, принимаем более высокую температуру 1700°С.

Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре

i1700
=2813,52[кДж/м3
]

Поскольку i0
<i1700
, то истинную температуру определяем по формуле:

tкал
= t’кал
+

tкал
=1600+=1662,5°С

18. Действительная температура продуктов сгорания:

tд
=htкал
=0.95*1662,5=1579,4°С

tдн
=0.97*1579.4=1532°С

tд
¢=1500°С

19. Определяем энтальпию продуктов сгорания:

а) на входе в насадку (при tд
¢=1500°С): iдн
=(3545,34*15.17+2758.39*11,5+2170,55*71,98+

+2296,78*1.35)/100= 2448,41 [кДж/м3
].

б) на выходе из насадки (низ). Принимаем среднюю за период температуру уходящих из насадки газов tдк
=250°С:

iдк
=(470,2*15.17+384.46*11,5+327*71,98+339.56*1.35)/

/100=355,5 [кДж/м3
]

20. Определяем средний за воздушный период расход воздуха. Принимаем, что пути от верха насадки до печи температура дутья понижается на 20°С.

tвмин
=tвк
+20=1200+20=1220°С.

Эта температура соответствует концу периода нагрева дутья. Для предварительных расчетов принимаем, что в течение воздушного периода температура воздуха понижается на величину Dtв
¢¢=200°С. Тогда средняя температура воздуха на выходе из насадки в течение воздушного периода составит:

tвкср
=tвмин
+ Dtв
¢¢/2=1220+200/2=1320°С.

Этой температуре соответствует энтальпия:

iвк
=1908,18 [кДж/м3
].

Согласно заданию на проектирование объем дутья

Vв
=195000 [м3
/час]. Это максимальное количество воздуха, которое пройдет через воздухонагреватель к концу воздушного дутья периода. Средний расход дутья за воздушный период определим из соотношения:

20. Определяем требуемый расход топлива. Требуемый расход топлива Vг
определим из уравнения теплового баланса насадки за цикл её нагрева и охлаждения.

Vг
Vпс
(0.95iдн
-ідк
)tд
=Vвср
(івк
-івн
)tв
,

отсюда

:

где 0.95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке;

івн
– энтальпия воздуха на входе в насадку. Температура воздуха на входе в насадку tвн
=170°С (после воздуходувки), что соответствует её энтальпии івн
=222,65[кДж/м3
];

tд
и tв
– длительность дымового и воздушного периода, час.

Предварительно принимаем tд
=2.0 час, а время, затрачиваемое на перекидку клапанов tп
=0.1 час. При числе воздухонагревателей п=4 длительность воздушного периода будет равна:

Продолжительность цикла:

tS
=tд
+tв
=2.0+0.7=2.7 [час].

Расход ПДС:

Расход доменного газа:

Vпс
=Vсм
*0.869=18415*0,869=16003 [м3
/ч]

Расход природного газа:

Vкг
= Vсм
*0.131=18415*0.131=2412 [м3
/ч]

21. Количество воздуха необходимое для горения топлива:

Vв
=Lд
Vг
=2.06*18415=37935 [м3
/ч]

22. Количество продуктов сгор

ания поступающих в насадку:

Vпс
=Vд
Vг
=2,93*18415=53956 [м3
/ч]

Предварительное определение поверхности

нагрева насадки

23. Определяем количество тепла, затраченное на нагрев воздуха:

Qв
=Vвср
(івк
-івн
)tв
=180227(1908,18-222,65)0.7=

=2,1264*108
[кДж/цикл]

24. Средне логарифмическая разность температур °C:

25. Средние за период температуры дыма и воздуха:

26. Средние температуры верха и низа насадки:

а) дымовой период:

б) воздушный период:

27. Определение коэффициента теплоотдачи для верха и низа насадки. Для определения теплоотдачи конвекцией aкд
и aкв
воспользуемся формулой:

Nu=ARen

Значение коэффициентов А и п : 0.0346 и 0.8 соответственно.

Результаты вычислений приведены в таблице.

28. Примем скорость продуктов сгорания при нормальных условиях Wод
=2 м/с. Тогда скорость воздуха при нормальных условиях будет:

29. Действительную скорость продуктов сгорания определяем по формуле:

а) для верха насадки

б) для низа насадки

30. Так как воздуходувка подает воздух под давлением Р=354.5 [кПа], то действительную скорость воздуха для верха и низа насадки найдем по формуле:

,

где Р0
=101.3 кПа, Т0
=273°К

а) для верха насадки

б) для низа насадки

31. Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.

Параметры и единицы измерения	Расчет форму ла	Предварительный расчет				Уточненный расчет
		Верх		Низ		Верх	Низ
		Дым	Возд	Дым	Возд	Возд	Возд
Средние за период темпе- ратуры дыма и воздуха	1187,5	1032,5	562,5	457,5	-	-
Коэф. Теплопровод ности l*102 вт/м°С	12,47	8,32	6,95	5,09	-	-
Кинематический коэф вязкости u*106 м2 /с	218,7	182,85	87,75	72,63	-	-
Определяющий диаметр канала , м	0,031	0,031	0,031	0,031	-	-
Действительная скорость продуктов сгорания и воздуха м/с	10,7	9,13	6,12	5,11	-	-
Критерий Рейнольдса	1516,69	1547,88	2162,05	2181,05	-	-
Критерий Нуссельта	12,13	12,33	16,1	16,22	-	-
Коэф теплоотдачи конвекций aк , вт/м2 °С		49,48	33,09	36,09	26,63	-	-
Коэф теплоотдачи излучением aл , вт/м2 °С	8,2	-	4	-	-	-
Суммарный коэф теплоотдачи, вт/м2 °С	aк + aл	56,68	33,09	40,09	26,63	-	-

Теплофизические параметрыматериала насадки

32. Средние температуры верха (динас) и низа (шамот) насадки:

33. Теплофизические параметры материала насадки – теплоемкость Ср
, коэффициент теплопроводности l в зависимости от средней температуры определяем по формулам:

Динас:

Шамот:

34. Эквивалентная полутолщина кирпича:

V, f1
, f2
– живое сечение насадки.

V=0.7 [м3
/м3
] , f1
=38.1 [м2
/м3
] , f2
=0.2925 [м2
/м3
]

(из методического пособия №127)

35. Коэффициент аккумуляции тепла кладкой определяем по формуле:

вследствие преобразований получаем:

а) динас

б) шамот

Теплофизические параметры материала насадки и коэффициент аккумуляции тепла для верха и низа регенеративной насадки.

Параметры и еденицы измерения	Расчет ная формула	Предварительный расчет		Уточненный расчет
		Верх	Низ	Верх	Низ
		Динас	Шамот	Динас	Шамот
Средняя температура насадки,	°С	1110	510	-	-
Объемная плотность, r,	кг/м3	2000	2025	-	-
Коэф теплопроводности l,	вт/м°С	2	1.11	-	-
Теплоемкость Ср ,	кДж/кг°С	1.29	1.08	-	-
Коэф температуропро водност.	а м2 /ч	0.00279	0.00182	-	-
Критерий Фурье	22.15	14.45	-	-
Коэф аккумуляции	0.943	0.915	-	-

Так как полученные значения коэффициента аккумуляции тепла hк
<1/3, то вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать толщину кирпича и величину коэффициентов, учитывающих различие в температурах кирпича в дымовом и воздушном периодах можно принять xн
=5.1 для низа насадки и xв
=2.3 для верха. y- принимаем равным 1/3.

36. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи:

Тогда суммарный коэффициент теплопередачи для верха насадки:

для низа насадки:

37. Средний коэффициент теплоотдачи для всей насадки:

38. Поверхность нагрева насадки:

39. Объем насадки:

V=F/f1
= 44441/38.1=1166 м2

40. Площадь поперечного сечения насадки в свету:

41. Общая площадь горизонтального сечения насадки:

42. Высота насадки:

Определение изменения температуры воздуха

за воздушный период

43. Теплоемкость потока воздуха:

44. Теплоемкость насадки:

45. Теплоемкость потока дыма:

тогда:

46. Определяем значение условий постоянной времени воздушного периода, т.е. время, в течение которого температура воздуха на выходе из насадки изменяясь с постоянной скоростью, достигла бы значения Dt´´=200°С:

47. Определяем изменение температуры на выходе из насадки в течение воздушного периода:

Поскольку полученное значение Dt´´ мало отличается от принятого при предварительном расчете (Dt´´=200°С), повторять расчет нет необходимости:

Кверх	Книз	Кср	F м2	V м3	w м2	Fобщ м2	Н м
39,6	38,17	38,9	44441	1166	7,49	25,62	45
Wв кВт/°С	Сн кДж/°С	Wд кВт/°С			mв	Тв час	°С
73	1.95*106	25,5	1	9,5	0,9	4,38	199

Невязка:

(Для повторного расчета разница менее 1%).

Размеры и масса насадки

Принимаем геометрические параметры насадки, полученные в повторном расчете : Н=45м, Fобщ
=25,62м2
.

48. Масса кирпича в насадке:

49. Коэффициент стройности насадки:

что удовлетворяет условию равномерного распределения газа по сечению насадки.

50. Принимая скорость продуктов сгорания в шахте горения равной Wдо
=2.5 м/с, определяем площадь горизонтального сечения шахты:

51. Суммарная площадь горизонтального сечения воздухонагревателя:

FS
=Fш
+Fобщ
=6+26,62=32,62 [м2
]

52. Диаметр воздухонагревателя по внутренней поверхности кладки:

53. оптимальное время между перекидками клапанов:

54. Оптимальная длительность воздушного периода: