Тепловой расчет печи

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ

1.1 Расчет горения топлива

Исходными данными для расчета горения топлива является малосернистый мазут М 40. Характеристика мазута приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.1 – Характеристика мазута

Составляющие мазута	Обозначение	Единицы измерения	Значение
Углерод	Ср	%	87,33
Водород	Нр	%	11,9
Кислород	Ор	%	0,2
Азот	Nр	%	0
Сера	Sр	%	0,39
Влажность	Wр	%	0,15
Зола	Ар	%	0,03

Определение теплотворной способности топлива , кДж/кг
,

,

где - содержание углерода в рабочей массе топлива, %;

- содержание водорода в рабочей массе топлива, %;

- содержание серы в рабочей массе топлива, %;

- содержание кислорода в рабочей массе топлива, %;

- содержание влаги в рабочей массе топлива, %.

.

Теоретически необходимый объем воздуха , м3
/кг
, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле

,

.

Теоретический объем трехатомных газов , м3
/кг,

,

.

Теоретический объем азота , м3
/кг,

,

где - содержание азота в рабочей массе топлива, %.

.

Необходимый теоретический объем водяных паров , м3
/кг,

,

.

Объем продуктов сгорания , м3
/кг,

,

.

Объем избыточного кислорода, , м3
/кг,
поступающего с воздухом на сжигание топлива

,

где α - коэффициент избытка воздуха.

.

1.2 Расчет печи кальцинации

1.2.1 Тепловой баланс печи

Приход тепла:

1 Теплота сгорания топлива ,

,

где - удельный расход топлива, кг/кг
глинозема;

- низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг
топлива.

.

2 Физическое тепло топлива ,

,

где - температура топлива, °С
;

- средняя теплоемкость топлива, кДж/кг°С
.

Определяем среднюю теплоемкость топлива:

,

,

.

3 Теплосодержание сухого гидрата ,

,

где 1,53 - расход сухой гидроокиси алюминия для получения 1 кг γ или α-Al2
O3
, кг/кг
глинозема;

- средняя теплоемкость гидраргиллита, кДж/кг°С
;

- температура сухой гидроокиси алюминия, °С
.

.

4 Теплосодержание внешней влаги в гидроокиси алюминия ,

,

где 1,53 - расход сухой гидроокиси алюминия на 1 кг глинозема, кг/кг
;

- содержание внешней влаги в гидроокиси алюминия, %;

- теплоемкость воды, кДж/кг°С
;

- температура внешней влаги, °С
. Принимается равной температуре гидроокиси алюминия.

.

5 Теплосодержание воздуха, поступающего в печь на сжигание топлива ,

,

где α - коэффициент избытка воздуха;

- количество воздуха, теоретически необходимое для сжигания топлива, м3
/кг
;

- удельный расход топлива, кг/кг
глинозема;

- содержание в общем объеме первичного и вторичного поступающего в печь воздуха, %;

- средняя теплоемкость первичного воздуха, кДж/ м3
°С
;

- средняя теплоемкость вторичного воздуха, кДж/ м3
°С
;

- температура первичного воздуха, °С
;

- температура вторичного воздуха, °С.

.

6 Теплосодержание пыли из системы пылеулавливания ,

,

где - количество пыли, поступающей в аппарат из системы пылеулавливания, кг/кг
глинозема;

- средняя теплоемкость пыли при данной температур в зависимости от фазового состава, кДж/кг°С
;

температура пыли, °С
.

.

Расход тепла:

1 Физическое тепло глинозема, выходящего из печи ,

,

где - средняя теплоемкость глинозема при данной температуре, кДж/кг°С
;

- температура глинозема, °С
.

.

2 Физическое тепло отходящих газов ,

,

где - температура дымовых газов, °С
;

- средняя теплоемкость трехатомных газов, кДж/м3
°С
;

- средняя теплоемкость водяных паров, кДж/ м3
°С
;

- средняя теплоемкость азота, кДж/ м3
°С
;

- средняя теплоемкость кислорода, кДж/ м3
°С
.

3 Тепло затраченное на реакцию дегидратации и перекристаллизации гидроокиси алюминия ,

,

где - тепловой эффект реакции образования бемита из гидраргиллита, кДж/кг
глинозема;

- тепловой аффект реакции образования γ-Al2
O3
из бемита, кДж/кг
глинозема;

- тепловой эффект реакции перекристаллизации при переходе из γ-Al2
O3
в α-Al2
O3
, кДж/кг
глинозема.

По закону Гесса тепловой эффект, реакций может быть вычислен как разность между суммой теплот образования продуктов реакций и суммой теплот образования исходных веществ.

Схематично процесс дегидратации и перекристаллизации гидроокиси алюминия может быть представлен следующим образом:

Таблица 1.2 – Стандартные теплоты образования

Формула соединения	Теплота образования из элементов, кДж/кг глинозема
	25209,8333
	19347,9412
	16073,9902
	16394,402
	2806,4784

Тепловой эффект образования бемита из гидраргиллита

,

где - стандартная теплота образования гидраргиллита, кДж/кг
;

- стандартная теплота образования бемита, кДж/кг
;

- стандартная теплота образования воды, кДж/кг
.

.

Тепловой эффект образования γ-Al2
O3
из бемита

,

где - стандартная теплота образования γ-Al2
O3
, кДж/кг
.

.

Тепловой эффект реакции перекристаллизации при переходе из γ-Al2
O3
в α-Al2
O3

,

где - стандартная теплота образования α-Al2
O3
, кДж/кг
.

.

При образовании 100 % α-Al2
O3
из γ-Al2
O3
тепловой эффект реакции составляет –320,4118 кДж/кг
, тогда при образовании 10 % α-Al2
O3
тепловой эффект реакции равен –32,0412 кДж/кг
.

.

4 Затраты тепла на испарение влаги ,

,

где 0,53 - содержание кристаллизованной влаги в гидроокиси алюминия, кг
;

2258,41 - скрытая теплота испарения воды, кДж/кг.

.

5 Затраты тепла на нагрев влаги до температуры отходящих газов ,

,

где 22,4 - объем занимаемый одной грамм-молекулой водяного пара;

18 - молекулярный вес воды;

- средняя теплоемкость водяных паров при температуре отходящих газов, кДж/м3
°С
;

- температура водяных паров, °С. Принимается равной температуре отходящих газов в холодном обрезе печи.

.

6 Затраты тепла с воздухом подсоса со стороны холодной головки вращающейся печи ,

,

где - объем воздуха подсасываемого в печь, м3
/кг
. Принимается равным 11,7 % от теоретически необходимый объем воздуха;

- средняя теплоемкость воздуха, при температуре дымовых газов, кДж/м3
°С
;

- средняя теплоемкость подсасываемого воздуха, кДж/м3
°С
;

- температура подсасываемого воздуха, °С
.

.

7 Затраты тепла с пылью в систему газоочистки ,

,

где - количество пыли в отходящих из печи газах, кг/кг
глинозема;

- средняя теплоемкость пыли при данной температуре в зависимости от фазового состава, кДж/кг°С
;

- температура пыли, °С
.

.

8 Теплопотери в окружающую среду поверхностью оборудования ,

,

где 0,12 - потери в окружающую среду печью.

.

Таблица 1.3 – Тепловой баланс печи кальцинации

Приход тепла	кДж/кг	Расход тепла	кДж/кг
1 Теплота сгорания топлива	3985,396	1 Физическое тепло глинозема, выходящего из печи	762,37
2 Физическое тепло топлива	19,0045	2 Физическое тепло отходящих газов	407,3144
3 Теплосодержание сухого гидрата	75,6463	3 Тепло затраченное на реакцию дегидратации и перекристал­лизации гидроокиси алюминия	684,3667
4 Теплосодержание внешней влаги в гидроокиси алюминия	28,492	4 Затраты тепла на испарение влаги	1580,887
5 Теплосодержание воздуха, поступающего в печь на сжигание топлива	689,2915	5 Затраты тепла на нагрев влаги до температуры отходящих газов	334,3324
6 Теплосодержание пыли из системы пылеулавливания		6 Затраты тепла с воздухом подсоса со стороны холодной головки вращающейся печи	386,5196
		7 Затраты тепла с пылью в систему газоочистки	612,7678
		8 Теплопотери в окружающую среду поверхностью оборудования	478,2476
Итого	5246,9483	Итого	5246,8055

1.2.2 Определение температуры горения топлива

Теоретическую температуру горения , рассчитывают по формуле:

,

где - физическое тепло нагретого воздуха, кДж/кг
;

- физическое тепло топлива, кДж/кг
;

- количество тепла, расходуемого на диссоциацию RО2
и Н2
О, кДж/кг
;

- потеря тепла от неполноты горения (в данном случае ), кДж/кг
;

- объем продуктов сгорания, м3
/кг
;

- средняя теплоемкость продуктов сгорания, кДж/м3
°С
.

Физическое тепло воздуха при получении 1 кг Al2
O3
определяется из формулы, кДж/кг
,

,

.

Объем газов от горения 0,0955 кг мазута, м3
:

Итого 1,1563 м3

где 0,1562; 0,1431 и т. д. - количество продуктов сгорания, образующихся при горении 1 кг мазута.

Принимаем, что равно 2200 ° С.

Тогда количество тепла, расходуемого на диссоциацию RО2
и Н2
О , определяется по формуле:

,

где 12758,55 и 10810,2 - теплоты диссоциации RО2
и Н2
О кДж/м3
(приведено к нормальным условиям);

0,03 и 0,18 - степени диссоциации, определяющиеся по графику.

.

Тепло продуктов сгорания при 2200 °С

,

,

,

Принимаем ; при этом .

Принимаем также .

Действительная максимальная температура газов в печи несколько ниже :

,

где - пирометрический коэффициент, учитывающий реальные условия горения.

Для вращающихся трубчатых печей . Принимаем .

Тогда

,

округленно принимаем 1800 °С.

1.2.3 Определение основных размеров печи

Внутренний диаметр барабанной печи , определяется из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи по формуле:

.

Принимаем, по данным практики, . Определяем действительное количество газов () при производительности печи 44 т/ч и газовом потоке 2,0779 м3
/кг.

Секундное количество отходящих газов, м3
/с:

,

при средней температуре газов в печи ,

,

.

Округленно получаем , при этом наружный диаметр .

Длину печи определяют из условия теплообмена в основных зонах печи. Ниже приводится метод зонального теплового расчета печи кальцинации (таблицы 1.4 и 1.5).

Принимаем потери тепла в окружающую среду, кДж: холодильник 40,651; I зона 80,8238; II зона 214,255; III зона 61,694; IV зона 44,477; V зона 36,3468.

Таблица 1.4 – Распределение материалов по зонам, кг

Зона	Температура материала в начале зоны t'м , °С	Температура материала в конце зоны t″м , °С	Наименование	Твердый материал в слое Gм	Вода физическая Gω	Вода гидратная	Пыль Gп	Всего твердого материала Gм∙п∙з
I	200	40	Поступает: гидроокись пыль из зон II и III	1,537+0,535 0,295	0,210	–	0,550	2,917
			Выделяется	0,535	0,210	–	0,300	0,835
			Выходит	2,082	–	–	–	2,082
II	900	200	Поступает	2,082	–	–	0,150	2,232
			Выделяется	–	–	0,532	0,550	1,082
			Выходит	1,150	–	–	–	1,150
III	1200	900	Поступает	1,150	–	–	–	1,150
			Выделяется	–	–	–	0,150	0,150
			Выходит	1,000	–	–	–	1,000
IV	1050	1200	Поступает	1,000	–	–	–	1,000
			Выходит	1,000	–	–	–	1,000
V	700	1050	Поступает	1,000	–	–	–	1,000
			Выходит	1,000	–	–	–	1,000

Таблица 1.5 – Количества газов на границах зон I–V

Материал	V		IV		III		II		II
	поступает	выходит	поступает	выходит	поступает	выходит	поступает	выходит	поступает	выходит
Топливо, кг	0,0955	0,0955	0,0955	–	–	–	–	–	–	–
Воздух, кг	1,0608	1,0608	1,0608	–	–	–	–	–	–	–
RO2 , м3	–	–	–	0,1562	0,1562	0,1562	0,1562	0,1562	0,1562	0,1562
H2 O, м3	–	–	–	0,1431	0,1431	0,1431	0,1431	0,8051	0,8051	1,0647
N2 , м3	–	–	–	0,8241	0,8241	0,8241	0,8241	0,8241	0,8241	0,8241
O2 , м3	–	–	–	0,0329	0,0329	0,0329	0,0329	0,0329	0,0329	0,0329
Итого	1,1563	1,1563	1,1563	1,1563	1,1563	1,1563	1,1563	1,8183	1,8183	2,0779
Пыль, кг	–	–	–	–	–	0,150	0,150	0,550	0,550	0,300

Количество тепла, получаемое или отдаваемое материалом, определяется как разность между количествами энергии, полученными материалом к началу и к концу зоны.

Зона I.

Общий расход энергии на нагрев материала к концу зоны I, ,

,

.

Общий расход энергии на нагрев материала к началу зоны I, ,

,

.

Общее количество тепла, , которое необходимо передать материалу:

,

в том числе - количество тепла, которое, затрачивается на превращение и нагрев неразложившихся исходных веществ и твердых продуктов реакции .

Зона II

,

.

,

Зона III

,

,

Зона IV

Зона V

Таблица 1.5 – Исходные данные для расчета температур газового потока по зонам

	I	II	III	IV	V
, кДж/кг	1074,1065	2483,6644	407,7944	–113,978	–266,11
, кДж/кг	80,8238	214,255	61,694	44,477	36,3468

При последовательном расчете температур газового потока на границах зон известны его начальная температура и энтальпия . Из расчета находим конечные энтальпию и температуру :

,

где - количество тепла, которое газовый поток получил или отдал в данной зоне, кДж/кг
.

1.2.4 Температуры газового потока на границах зон

При сгорании топлива в условиях вращающейся печи не все выделяющееся тепло идет на нагрев продуктов сгорания, часть его передается излучением в зоны, примыкающие с обеих сторон к зоне горения, а также поступает в зону I вследствие рециркуляции продуктов сгорания. Поэтому действительная температура газового потока в зоне горения ниже . Остальные зоны печи также отдают тепло излучением соседним зонам, имеющим более низкую температуру.

При определении энтальпии и температуры газового потока в остальных зонах печи, кроме V и I, необходимо вводить поправку, учитывающую прямую отдачу тепла газовым потоком и степень равномерности его температуры. Такая поправка является функцией критерия Во
.

Для зоны II вращающейся печи величину , определяют по формуле:

,

где - количество тепла, отданное в зону I, кДж/кг
;

- количество тепла, выделившееся в зоне в результате сгорания топлива, кДж/кг
;

-количество тепла, полученное или отданное материалом, кДж/кг
;

- потери тепла в окружающую среду, кДж/кг
;

,

,

,

где - производительность печи, т/ч
.

- теоретическая температура горения, К;

- диаметр печи внутренний, м
.

Для зоны III из формулы исключается величина z, а для остальных зон она принимает вид:

.

Определяем значения критерия Во
, γ
и х
для II–IV зон

Переходим к расчету газового потока отдельных зон.

Зона V. Начальную энтальпию газового потока , определяем по формуле:

,

где - энтальпия глинозема, выходящего из печи и холодильника, кДж/кг
;

- энтальпия воздуха, выбрасываемого из холодильника, кДж/кг
;

- потеря тепла в окружающую среду холодильником, кДж/кг
;

- физическое тепло топлива, поступающего в печь, кДж/кг
;

- энтальпия воздуха, поступающего на установку, кДж/кг
.

.

Начальная температура газового потока определяется методом подбора.

Энтальпия газового потока при 400 и 500 °С, кДж/кг
:

,

,

,

.

Температура воспламенения газа 1000° С, определяем при этой температуре энтальпию газового потока ,

.

Разность энтальпий газового потока на границах зон ,

,

.

Газовый поток в зоне V получает тепло от охлаждающегося глинозема и из соседней зоны путем рециркуляции продуктов сгорания и прямой отдачи.

Количество тепла, , получаемое из соседней зоны:

,

Зона IV

,

Зона III

,

Зона II

,

Зона I

,

Определяем температуры газовых потоков.

Зона IV. Энтальпия газового потока:

при 1700 °С

при 1600 °С

.

Зона III. Энтальпия газового потока:

при 1500 °С

при 1400 °С

.

Зона II. Энтальпия газового потока:

при 700 °С

при 600 °С

.

Зона I. Энтальпия газового потока определяется при температуре 250 °С, т.к. ,

Определяем средние температуры материала , по зонам:

,

Зона I.

Зона II.

Зона III.

Зона IV.

Зона V.

Определяем средние температуры газового потока , по зонам:

,

Зона I.

Зона II.

Зона III.

Зона IV.

Зона V.

Определяем состав газовой фазы по зонам.

Зона III: , , (при α=1,15), .

Зона II: ,

,

.

Зона I: ,

,

.

Определяем скорость движения материала в печи, коэффициент заполнения печи материалом, значения и по зонам.

Скорость движения материала в печи , определяем по формуле:

,

где - угол наклона печи. При принимаем, что ;

- число оборотов печи, об/мин.
Принимается равным .

Коэффициент заполнения печи материалом определяем из формулы:

,

где - среднее количество материала, проходящего через зону, т/ч;

- средняя объемная масса материала в зоне, т/м3
;

- время работы печи в сутки, ч.

Зона I

,

,

.

Площадь сегмента , (части печи, заполненной материалом):

,

.

где - центральный угол сегмента, град.

При

При

.

,

.

Эффективная длина лучей газового потока ,

,

где - периметр свободного сечения печи, м
;

- площадь свободного сечения печи, м
.

Определяем периметр свободного сечения печи:

.

Площадь свободного сечения печи определяется по формуле:

,

,

.

Зона II

Зона III.

Чтобы определить α, задаемся и .

При

При

Зона IV (в зоне V те же значения).

.

Полученные значения , , , сводим в таблицу 1.6 (туда же значения и , которые рассчитываются ниже).

Таблица 1.6 – Сводные данные

Зона	φ , %	lx , м	l д , м	S эфф , м	εг	l д.ф . , м
I	11,23	3,0	3,39	3,3	0,659	9,18
II	9,41	2,86	3,18	3,35	0,536	9,39
III	7,4	2,66	2,91	3,4	0,279	9,66
IV и V	7,57	2,68	2,94	3,4	0,25	9,63

Длина дуги футеровки ,

,

Определяем степень черноты газов по формуле:

,

где - степень черноты излучения диоксида углерода;

- условная степень черноты излучения водяных паров без поправки на их парциальное давление;

- поправочный множитель для получения степени черноты водяных паров.

Значения находятся по графикам в зависимости от температуры и значения и [2, рисунок 19-21].

Зона I.

Зона II.

Зона III.

1.2.5 Определение длины зон

Длину зон определяем из условия теплообмена.

Зона V.

Средняя скорость газового потока

,

Критерий Рейнольдса:

,

где - кинематическая вязкость газов при средней температуре.

Критерий Нуссельта:

,

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, ,

,

где - коэффициент теплопроводности газа, кДж
/(м·ч·°С
).

Время пребывания частиц материала на футеровке ,

,

.

Время пребывания частиц материала на открытой поверхности слоя ,

,

.

Изменение температуры материала при контакте с футеровкой ,

,

Количество тепла , отдаваемого материалом теплопроводностью:

,

.

Изменение температуры материала , при контакте с газовым потоком:

,

Количество тепла, отдаваемого материалом конвекцией ,

,

Количество тепла, отдаваемого материалом лучеиспусканием ,

Решая уравнение методом подбора, получаем , тогда .

Общее количество тепла , отдаваемое материалом в зоне V:

,

,

Длина зоны ,

,

Длину зоны IV (зоны горения) не рассчитываем, так как обычно ее длина равна длине факела, по опытным данным принимаем равную 7,0 м [2].

Зона III.

Количество тепла , отдаваемого материалом теплопроводностью:

,

Количество тепла, отдаваемого материалом конвекцией ,

,

Количество тепла, отдаваемого материалом лучеиспусканием ,

Решая уравнение методом подбора, получаем , тогда .

,

Зона II.

Тепловые потоки , и определяются расчетом теплообмена в рабочем пространстве печи по формулам:

а) тепловой поток на открытую поверхность шихты , (излучение от газов и кладки):

,

где - приведенный коэффициент излучения от газов и кладки на шихту, .

Определяем приведенный коэффициент излучения от газов и кладки на шихту:

,

где - степень развития кладки.

Степень развития кладки определяется по следующей формуле:

,

б) тепловой поток на закрытую поверхность шихты , (излучение от кладки):

,

где - приведенный коэффициент излучения от кладки на шихту, .

- абсолютная средняя температура кладки, К
.

Определяем приведенный коэффициент излучения от кладки на шихту:

,

где - степень черноты кладки; принимаем .

Средняя температура кладки ,

,

в) тепловой поток передаваемый на шихту конвекцией ,

,

где - условная скорость газов в печи, при нуле градусов Цельсия, м/с
.

Определяем условную скорость газов в печи:

,

Общий тепловой поток ,

,

Зона I.

Длину зоны сушки , подсчитывают по формуле:

где - производительность печи по гидроокиси алюминия с учетом оборотной пыли, т/ч;

- содержание влаги в исходном и конечном гидрате, доли ед. В данном случае , (таблица 1.4).

- допустимое напряжение рабочего пространства сушильной зоны печи по удаляемой влаге, т
/(м3·
ч
); принимаем .

Тогда

Полная длина печи составит:

Принимаем стандартную печь, изготовляемую отечественной промышленностью размером 4,5×110 м.

1.3
Выбор форсунки

Выбор газомазутной форсунки осуществляется исходя из значения расхода топлива. Для данного типа печей необходимо использовать одну форсунку, таким образом, выбираемая форсунка должна быть рассчитана на полный расход топлива. В качестве основного топлива на форсунке используется мазут марки М 40, в качестве резервного газ. Исходя из выше сказанного в соответствии с литературой [6], была выбрана форсунка производительностью от 4 до 6 т/ч. Общий вид форсунки приведен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Газомазутная форсунка