Теплотехнические расчеты цементной вращающейся печи

 

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1. Тема  курсового проекта: Вращающаяся  печь 3,6x60м для обжига клинкер по мокрому способу. Топливо – газ.

2. Содержание  проекта: а) расчеты горения  топлива и печи по методическим  указаниям.

3.  Особые  дополнительные сведения:

               Химический состав сырьевой смеси, %

 

              Минералогический состав клинкера, %

           Влажность шлама W=40 %

4. При  расчете горения топлива принять: a=1,05 ; W^P=1%; подогрева воздуха 600 ^OC.

5. Тепловой  баланс установки составлять  без холодильника, принимая температуры:

• окружающей среды                         10 ^OC
• клинкера из печи                             1100 ^OC
• воздуха из холодильника                500 ^OC

     (весь воздух через холодильник)

• отходящих газов                              360 ^OC
• потери в окружающую среду          13 ^OC

 

 

 

 

 

 

 

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЦЕМЕНТНОЙ  ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

 

1.1 Расчет  горения топлива.

В справочнике  находим состав заданного вида топлива  на горючую массу и влажность  рабочей массы топлива (W^P).

Топливо – природный газ Тюменское  месторождение.

 

Состав  сухого газа, %

 

Сухое газообразное топливо пересчитывают  на влажный газ, который подлежит сжиганию. Принимаем содержание влаги 1%.

Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий  газ:

CH₄^вл= CH₄^с ((100-Н₂О) / 100)=95,9 ((100-1) / 100)=94,94 %

Другие  составляющие остаются без изменений.

 

Состав  влажного рабочего  газа, %

 

Газ сжигается  с коэффициентом расхода воздуха a=1,05. Воздух, идущий для горения, подогревается до 600^оС. Для газообразного топлива теплота сгорания определяется как сумма произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество:

Q_н^р = 358,3*CH₄^вл + 634*C₂H₆^вл + 907,5*C₃H₈^вл + 1179,8*C₄H₁₀^вл

Q_н^р = 358,3*93,2 + 634*1,2 + 907,5*0,7 + 1179,8*0,4 = 35262 [кДж/м³]

 

Определяем  расход воздуха на горение. В расчетах принимают следующий состав воздуха:   N₂ – 79,0%     O₂ – 21,0%.

 

 

 

Находим теоретически необходимый расход воздуха  для горения природного газа:

L_о = 0,0476 (2*CH₄^вл + 3,5*C₂H₆^вл + 5*C₃H₈^вл + 6,5*C₄H₁₀^вл) =

   = 0,0476 (2*93,2 + 3,5*1,2 + 5*0,7 + 6,5*0,4) = 9,363  [м³/м³]

 

Принимаем влагосодержание воздуха d=10  [г/(кг сух.воз.)]  и находим теоретически необходимое количество атмосферного воздуха с учетом его влажности:

L_о^’ = (1 + 0,0016*d) L_о = 1,016*9,363 = 9,51   [м³/м³]

 

Действительное  количество воздуха при коэффициенте расхода a=1,05:

L_a = a*L_о = 1,05*9,363 = 9,83   [м³/м³]

 

Действительный  расход атмосферного воздуха при  его влагосодержании d составит:

L_a^‘ = (1 + 0,0016*d) L_a = 1,016*9,83 = 9,988    [м³/м³]

 

Определяем  объем продуктов горения:

V_CO2^т = 0.01(CH₄ + 2*C₂H₆ + 3*C₃H₈ + 4*C₄H₁₀) =

        = 0,01(93,2 + 2*1,2 + 3*0,7 + 4*0,4 + 5*0,3) = 1,008    [м³/м³]

V_H2O^т = 0.01(2*CH₄ + 3*C₂H₆ + 4*C₃H₈ + 5*C₄H₁₀+ H₂O + 0.16*d*L_a) =

           = 0,01(2*93,2+3*1,2+4*0,7 + 5*0,4+1+ 0,16*10*9,83) = 2,115    [м³/м³]

V_O2^т = 0.21(a - 1)L_о = 0,21(1,05 – 1)9,363 = 0,098   [м³/м³]

V_N2^т = 0.01*N₂ + 0.79*L_a = 0,01*3,3 + 0,79*9,83 = 7,798   [м³/м³]

 

Общее количество продуктов горения:

V_a^т = 1,008 + 2,115 + 0,098 + 7,798 = 11,019    [м³/м³]

 

Процентный  состав продуктов горения:

CO₂ = (V_CO2^т *100) / V_a^т = (1,008*100) / 11,019 = 9,15 %

H₂O = 19,19 %

O₂ = 0,89 %

N₂ = 70,77 %

Материальный  баланс горения:

приход	кг	расход	кг
Природный газ CH4 = 93,2*0,717 C2H6 = 1,2*1,359 C3H8 = 0,7*2,02 C4H10 = 0,4*2,84 N2 = 3,3*1,251 H2O = 1*0,804   Воздух O2 = 9,83*0,21*1,429*100 N2 = 9,83*0,79*1,251*100 H2O = 0,16*10*9,83*0,804	66.82 1.63 1.01 1.414 4.128 0.804     294,99 971,49 12,64	Продукты  горения CO2 = 1,977*100*1,008 H2O = 0,804*100*2,115 N2 = 1,251*100*7,798 O2 = 1,429*100*0,098	199,28 170,046 975,53 14,004
Всего	1354,926	Всего Невязка	1358,86 0,3%

 

Определим плотность продуктов  горения топлива:

r₀ = (1,008*1,977 + 2,115*0,804 + 0,098*1,429 + 7,798*1,251) / 11,019 = 1,233   [кг/м³]

1.2 Материальный  баланс по сырью

Расход топлива определяют по формуле:

                    б = q / Q_н^р

где q – предварительный расход тепла для данного вида печи (6500 кДж/кг)

       б – удельный расход топлива м³/кг

                    б = 6500 / 35262 = 0,184   кг/кг кл.

 

Теоретический расход сухого сырья на 1 кг клинкера составит:

М_т^с = 100 / (100 – П.П.П.) = 100 / (100 – 35,5) = 1,55  кг/кг кл.

 

Практический  расход сухого сырья составит:

М_п^с = М_т^с (100 / 99,9) = 1,55 (100 / 99,9) = 1,552  кг/кг кл.

 

Расход  влажного сырья составит:

М_п^w = М_п^с (100 / (100 – W))

М_п^w = 1,552(100 / (100 – 40)) = 2,587  кг/кг кл.

 

Общее количество уноса материала из печи составит:

М_ун. = n* М_п^с

где n – доля уносимого сырья 5%

М_ун. = 0,05*1,552 = 0,0776   кг/кг кл.

 

Количество  возвратного уноса составит:

М_ун.^в = ((n – 0,1)М_п^с) / 100   кг/кг кл.

М_ун.^в = ((5 – 0,1)1,552) / 100 = 0,076  кг/кг кл.

 

По данным химического состава шихты находим  содержание в ней карбонатов и  углекислоты, % :

CaCO₃ = (CaO*100) / 56                                MgCO₃ = (MgO*84.3) / 40.3

CO₂ = (CaO*44) / 56 + (MgO*44) / 40.3

где цифровые величины соответствуют молекулярным массам химических

соединений.

CaCO₃ = (42,9*100) / 56 = 76,61 %

MgCO₃ = (0,86*84,3) / 40,3 = 1,798 %

CO₂ = (42,9*44) / 56 + (0,86*44) / 40,3 = 34,65 %

 

Количество  гидратной воды в сырьевой смеси:

Н₂О = П.П.П. - CO₂

Н₂О = 35,5 – 34,65 = 0,85 %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материальный  баланс по сырью:

приход	кг	расход	кг
Сырьевая смесь Мпw Возврат Мун.в	2,587 0,076	Клинкер Общий унос Мун Выделившиеся из сырья  газы:   - углекислый МСО2=(Мтс*СО2)/100       МСО2=(1,55*34,87)/100   - гидратная Н2О    МН2О=(Мтс*Н2О)/100       МН2О=(1,55*0,85)/100   - физическая Н2О  Мw= Мпw - Мпс       Мw = 2,587 – 1,552	1 0,0776     0,54   0,013   1,035
Всего	2,663	Всего	2,665

 

 

 

1.3 Теоретические  затраты тепла на

клинкеробразование

Эти затраты  слагаются из теплоты эндотермических  реакций разложения исходных сырьевых материалов при нагревании и экзотермических  реакций образования клинкерных минералов при обжиге. Применительно  к сырьевой смеси из природных  глинистых и карбонатных материалов теоретический эффект клинкеробразования вычисляют по следующим затратам:

 

1. Расход  тепла на дегидратацию глинистых  материалов:

         q₁ = М_Н2О*6886

         где 6886 тепловой эффект реакции , кДж/кг кл.

         q₁ = 0,013*6886 = 89,52   кДж/кг кл.

 

2. Расход  тепла на декарбонизацию:

         q₂ = M_CaCO3 *1680 + M_MgCO3 *816

         M_CaCO3 = (М_т^с * CaCO₃) / 100 = (1,55 * 76,61) / 100 = 1,187   кг/кг кл.

         M_MgCO3 = (М_т^с * MgCO₃) / 100 = (1,55 * 1,798) / 100 = 0,028   кг/кг кл.

         q₂ = 1,187 *1680 + 0,028 *816 = 2017,00    кДж/кг кл.

3. Расход  тепла на образование жидкой  фазы (поскольку в химическом  составе сырьевой смеси содержится  Fe₂O, то жидкая фаза железистая и расход тепла на её образование 200  кДж/кг кл.):

         q₃ = 200  кДж/кг кл.

 

4. Приход  тепла от образования клинкерных  минералов:

         q₄ = (C₃S*528 + C₂S*716 + C₃A*61 + C₄AF*109) / 100

         q₄ = (60,6*528 + 19,5*716 + 5,9*61 + 11,9*109) / 100 = 476,158   кДж/кг кл.

 

Теоретическое тепло реакции клинкеробразования равно:

         q_т = q₁ + q₂ + q₃ - q₄ = 89,52 + 2017,00 + 200 – 476,158 = 1830,362  кДж/кг кл.

 

1.4 Тепловой  баланс печи и определение  удельного

 расхода  топлива на обжиг клинкера

 

Приход тепла:

 

1. Химическое  тепло от сгорания топлива:

         q_x = Q_н^р * б

         q_x = 35262 * б кДж/кг

 

2. Физическое  тепло топлива:

         q_ф = б * i_т

         где i_т – энтальпия топлива в интервале от 0^оС до t_т (принимаем t_т=10 ^оС)

         q_ф = 12 * б    кДж/кг

 

 

3. Физическое  тепло сырья:

         q_ф^с = М_п^с * i_с + М^w * i_w

         где i_с – энтальпия сырьевой смеси, кДж/кг

               i_w – энтальпия воды , кДж/кг

               М^w – влажность сырьевой смеси, кг/кг кл.

         q_ф^с = 1,552 * 8,8 + 1,035 * 41,9 = 57,024  кДж/кг

 

4. Физическое  тепло воздуха:

         q_ф^в = б(L_n * i_n + L_вт * i_вт)

         где L_n и L_вт – количество первичного и вторичного воздуха , м³/кг

                i_n и i_вт – энтальпия первичного и вторичного воздуха кДж/м³

         q_ф^в = б(0 * 0 + 9,83 * 671,2) = 6597,89 * б кДж/кг

 

Всего приход тепла:

         б(Q_н^р + i_т + L_n*i_n + L_вт*i_вт) + (М_п^с * i_с + М^w * i_w)

         35262*б + 12*б + 57,024 + 6597,89*б = 41871,89*б + 57,024

 

Расход тепла:

 

1. Теоретическое  тепло реакции клинкеробразования:

         q_т = 1830,362  кДж/кг кл.

 

2. Тепло  испарения физической воды:

         q_исп = М^w * q_исп = 1,035 * 2491 = 2578,19  кДж/кг кл.

         где q_исп – тепло на испарение 1 кг физической воды, равное 2491 кДж/кг кл.

 

3. Тепло,  теряемое с клинкером, покидающим  печь:

         q_к = 1 *  i_к = 1 * 1114,3 = 1114,3  кДж/кг кл.

         где i_к – энтальпия клинкера при температуре выхода его из печи, кДж/кг кл.

 

4. Тепло  с отходящими газами:

  q_отх^г = V_CO2 * i _CO2 + V_H2O * i _H2O + V_N2 * i _N2 + V_O2 * i _O2 

  V_CO2= V_CO2^т * б + М_CO2 / r_CO2 = 1,008 * б + 0,54 / 1,977 = 1,008 * б + 0,27 м³/кг кл.

  V_H2O=V_H2O^т*б+(М_H2O+М^w)/r_H2O=2,115*б+(0,013+1,035)/0,804=2,115*б+1,303  м³/кг кл.

  V _N2 = V _N2^т * б = 7,798 * б   м³/кг кл.

  V _O2 = V _O2^т * б = 0,098 * б   м³/кг кл.

  q_отх^г =(1,008*б+0,27)*357,6 + (2,115*б+1,303)*304,4 + (7,798*б*260) + (0,098* б* 267,1) = 3057,92*б + 493,18    кДж/кг кл.

 

5. Тепло,  теряемое с безвозвратным уносом:

         q_ун = М_ун * i_ун = 0,0776 * 185,9 = 14,426  кДж/кг кл.

         где i_ун – энтальпия сырьевой смеси, уносимой из печи, кДж/кг кл.

 

6. Потери  в окружающую среду через футеровку  печи:

         q_п = к‘ * Q_н^р * б = 0,13 * 35262 * б = 4584,06 * б кДж/кг кл.