Теплотехнический расчет ванной регенеративно стекловаренной печи с поперечным направлением пламени

 

    2.1.5 Студка

 

    Последняя стадия процесса стекловарения —  охлаждение (студка) — заключается  в повышении вязкости стекломассы  до пределов, допускающих формование изделий. Студка является подготовительной операцией к выработке стекломассы, охлаждаемой до температуры, обеспечивающей рабочую вязкость. На стадии осветления и гомогенизации (1400°C) вязкость стекломассы составляет около 10 Па·с. При выработке вязкость должна быть не менее 100 Па·с, что соответствует температуре 1150—1200° С.

    В зависимости от состава стекломассы  температуру снижают примерно на 200—300° С. При варке обычных  промышленных стекол принят режим постепенного и равномерного охлаждения стекломассы.

 

2.2.Применяемые огнеупоры

 

       Качество  изделий из стекла и экономические  показатели производства существенно  зависят от  вида и качества огнеупоров, применяемых в тепловых агрегатах  для плавки и термической подготовки расплавов. Неподходящие и низкокачественный огнеупоры вызывают значительный брак продукции и не дают возможности интенсифицировать варку. Высококачественные огнеупоры, правильно выбранные для кладки печей, позволяют вести процесс при более высоких температурах, обеспечивая повышение производительности тепловых агрегатов и улучшения качества продукции. Благодаря применению высококачественных огнеупоров удлиняются также кампании тепловых агрегатов /3,4/.

       Поведение огнеупоров в стекловаренных печах  определяется составом, структурой и  свойствами огнеупоров и условиями  их эксплуатации.  Существует две  технологии получения огнеупоров: керамическая и плавленые огнеупоры. К огнеупорам полученным по керамической технологии относятся: шамотные, каолиновые, полукислые, муллитовые, корундовые, динасовые, магнезитовые, хромомагнезитовые и др. Эти огнеупоры получают формованием изделий путем прессования зернистых материалов, смешанных со связующим, дальнейшей сушкой сформованного сырца и обжигом изделий.

       Шамотные огнеупоры это изделия, основой которых служит размолотый шамот – обожженная до спекания огнеупорная глина. Огнеупорная глина служит и связующим в этих огнеупорах. Огнеупорные глины содержат 30…35%  Al₂O₃, 46…53% SiO₂, 3…5% других оксидных компонентов. Глины, содержащие менее 30% Al₂O₃, называются полукислыми, и огнеупоры, изготовленные из них тоже полукислыми. Чем больше содержание в глине Al₂O₃ и чем меньше в ней примесей (Na₂O, K₂O, CaO, Fe₂O₃ и др.), тем выше огнеупорность глины, а соответственно и огнеупора.

       Муллитовые  и высокоглиноземистые огнеупоры  изготавливают из смеси технического глинозема с огнеупорной глиной. Они содержат Al₂O₃ 60…75%, SiO₂ 21…40%.

       Корундовые  брусья, изготавливаемые из технического глинозема, обжигают при температуре  выше 1700⁰С, и в состав их входит 76…99% Al₂O_3.

       Циркониевые огнеупоры изготавливают из природного обогащенного циркона ZrSiO₄ (80…95%) на связке из огнеупорной глины или смеси огнеупорной глины с каолином.

       Сырьем  для производства динаса служат природные  кварциты, содержащие не менее 97% SiO₂ . Их динаса изготавливаются огнеупоры верхнего строения стекловаренных печей: сводные, горелочные, стеновые брусья /1,3,4/.

       Для производства плавленых огнеупоров применяют электрические печи и их изготавливают путем литья из расплава. Плавленые огнеупоры применяют в наиболее ответственных частях кладки стекловаренных печей потому, что эти огнеупоры в сравнении с керамическими обладают более высокой стойкостью к расплавам и механическим нагрузкам при высоких температурах, хотя стоимость их выше.

       К плавленым огнеупорам относятся  муллитовые и циркономуллитовые, бакоровые (бадделеитово-корундовые), корундовые и плавленый кварц. Муллитовые и циркономуллитовые огнеупоры изготавливают плавкой шихты, состоящей их технического глинозема и сырья, содержащего SiO₂ (каолин). В циркономуллитовые огнеупоры добавляют цирконовый концентрат до содержания ZrO₂ 6…7% в веществе огнеупора. Микроструктура этих огнеупоров состоит из кристаллов муллита 3 Al₂O₃·2 SiO₂ , корунда α- Al₂O₃, и бадделеита ZrO₂.

       Производство  бакора отличается составом шихты, в  которую входит технический глинозем, цирконовый концентрат и ZrO₂ .Огнеупор состоит из кристаллов бадделеита ZrO₂ и небольшого количества стекла.

       Корундовый  огнеупор изготавливают плавкой  глинозема при температуре до 2500⁰С и он состоит на 99% из Al₂O_3.

       Из  всех свойств огнеупоров для стекловаренных печей решающим является их стойкость  к действию расплава стекла. К обычной стекломассе наиболее устойчивы высокоглиноземистые плавленые огнеупоры, особенно содержащие значительные количества ZrO₂ – бакор. Так верхний ряд варочной части бассейна рекомендуется выкладывать из вертикально поставленных брусьев бакора-33 или плавленого корунда. Нижнюю часть стен варочной части бассейна – из плавленого муллита или цирконо-муллита. В студочной части бассейна верхний ряд – из плавленого корунда или бакора-33, ниже – шамотные брусья. Дно ванной печи выкладывают из шамотных брусьев, причем в варочной части шамотные брусья целесообразно защищать плиткой из плавленых литых огнеупоров. Для кладки стен и сводов пламенного пространства применяют высококачественный динас.

       В насадке и стенах регенераторов, особенно первых двух пар горелок, хорошие результаты дает хромомагнезитовый, магнезитохромитовый и форстеритовый кирпич. В следующих далее регенераторах нижние ряды можно класть из шамотного кирпича /1,3,4/.

 

3. Расчет  конструктивных размеров печи.

 

     Определение конструктивных размеров печи начинают с расчета часовой производительности  Р, кг/ч:

     Р=Р´/24=200000/24=8333 кг/ч,

     Где Р´ – производительность печи, кг/сут.

     Площадь зеркала стекломассы F, м², варочной части печи находим по формуле:

     F= Р/Р_f = 8333/60=138,88≈139 м²,

     Где Р_f – удельный съем стекломассы с 1 м² варочной части, который принимаем 60 кг/(м²·ч).

     Принимаем площадь зеркала зоны осветления равной F_осв=1,2·F_в , тогда F_в +1,2 F_в = F_. Отсюда F_в =F/2,2 (м²).

     F_в =139/2,2=63,18≈64 м².

     F_осв=1,2·63= 75,6≈76 м².

     F = 64+76=140 м².

     Принимаем для варочной зоны и зоны осветления длину и ширину так, чтобы получить определенные площади, исходя их того, что ширина зоны осветления и варочной части одинаковы. Для варочной зоны: ширина 8,5 м, длина 10 м . Для зоны осветления  – ширина 8,5 м, длина 6,47 м.

 

4. Теплотехнический  расчет

 

    Варка стекломассы производится в ванной стекловаренной печи непрерывного действия, регенеративной, с поперечным направлением пламени, с двумя загрузочными карманами, с варочным и выработочным бассейнами, с протоком и с двумя питателями стекломассы.

    Исходными данными для теплотехнического  расчета стекловаренной печи являются:

• тип печи – регенеративная с поперечным направлением пламени;
• производительность – 200 т/сут;
• Площадь варочного бассейна – 140 м.

     Габариты варочного бассейна:

     длина – 16470мм,

     ширина – 8500мм,

     глубина бассейна – 1100мм,

• Вид топлива – природный газ следующего состава, %:

     СН₄ – 93,998,

     С₂Н₆ – 2,029,

     С₃Н₈ – 0,549,

     С₄Н₁₀ – 0,15,

     С₅Н₁₂ – 0,021,

     СО₂ – 0,236,

     N₂ – 2,996.

• Теплота сгорания топлива – 7968ккал/нм³.
• Максимальная температура варки 1500⁰С.

4.1 Расчет горения природного газа

 

    Расчет  производится с целью определения  расхода воздуха, необходимого для горения топлива, температуры горения, количества образующихся продуктов горения, их состава /5/.

    В табл. 3.1. приведен состав сухого газа Ставропольского месторождения, используемого на предприятии.

    Таблица 3.1. – Состав сухого газа

 

    Газ сжигается с коэффициентом расхода  воздуха α=1,05…1,2. Воздух, идущий на горение  топлива, нагревается до температуры 1000^оС.

    Принимаем содержание влаги в газе 1,0%.

    Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ по формуле:

     ,

    где - составляющие рабочего топлива, %;

     - составляющие сухой массы  топлива, %;

     - содержание влаги в топливе, %.

     , [5].

    Другие  составляющие газа остаются без изменений (табл. 3.2.).

    Таблица 3.2.- Состав влажного рабочего газа

 

Определяем  теплоту сгорания газа, кДж/нм³:

Q_н= 358,2∙СН₄+637,5∙С₂Н₆+912,5∙С₃Н₈+1186,5∙С₄Н₁₀+1460,8С₅Н₁₂;

Q_н=358,2∙93,058+637,5∙2,029+912,5∙0,549+1186,5∙0,15+1460,8·0,021=35336,485.

         Находим теоретически необходимое  количество сухого воздуха, нм³/нм³:

L₀=0,0476(2∙СН₄+3,5∙С₂Н₆+5∙С₃Н₈+6,5∙ С₄Н₁₀+8 С₅Н₁₂);

L₀=0,0476(2∙93,058+3,5∙2,029+5∙0,549+6,5∙0,15+8·0,021)=0,0476·197,1=9,382.

         Принимаем влагосодержание атмосферного  воздуха  d=10 г/кг сухого воздуха и находим теоретически необходимое количество атмосферного воздуха с учётом его влажности, нм³/нм³:

L₀´=1,016∙L₀=1,016∙9,382=9,532.

         Действительное количество воздуха  при коэффициенте расхода α=1,05 будет равно, нм³/нм³:

      -сухого воздуха: L_α=1,05∙9,382=9,851;

      -атмосферного воздуха: L_α^´=1,05 ∙9,532=10,009.

         Количество и состав продуктов  горения при α=1,05, нм³/нм³:

V_CO2=0,01(СО₂+СН₄+2∙С₂Н₆+3∙С₃Н₈+4∙С₄Н₁₀+5С₅Н₁₂)=