Расчет процесса и печи для обжига цинкового концентрата в кипящем слое

,

φ - коэффициент расхода; для цилиндрических отверстий с  острыми кромками φ = 0,8.                      

          g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения ,

давление воздуха в  сопле p₁ = 1300 мм вод.ст.;

давление воздуха в  нижней части кипящего слоя p₂ = 1200 мм вод.ст;

удельный вес воздуха = 1,29 кг/м³.

.

Число сопел необходимое  для печи:

расход воздуха на печь м³/сек,

площадь выходных отверстий  одного сопла f = 0,000314 м²,

           1,2 –  коэффициент запаса.

           

  

 

                               

 

 

 

Рисунок 2. Грибообразное дутьевое сопло для печи кипящего слоя. 

 

Эскиз печи представлен  на рисунке 3.

Рисунок 3. Эскиз печи для обжига цинкового концентрата в кипящем слое

 

2.5 Расчет теплового баланса процесса обжига цинкового концентрата

Расчет теплового баланса  печи ведется на 106,4 кг влажного концентрата; масса найдена в предыдущих расчетах.

1) Расчет прихода тепла.

1. Определяем физическое тепло концентрата:

Q₁=c₁· m₁· t₁,

Q₁= 0,75·106,4 ·10 = 798 кДж,

температура концентрата  t₁=10 °C,

при t₁=10 °C теплоемкость концентрата c₁=0,75 кДж/кг·°С, [2]

масса концентрата m₁ =106,4 кг.

2. Определяем физическое тепло воздуха:

Q₂ = c₂·v₂·t₂ ,

Q₂ = 1,3·155,38·20 = 4040  кДж,

температура воздуха t₂ =20 °С,

при t₂ =20 °С теплоемкость воздуха c₂ = 1,3 кДж/м³·°С [2],

в предыдущих расчетах найдено: объем воздуха v₂ = 155,38 м³.

3. Рассчитываем тепло экзотермических реакций:

      а)  ZnS+l,5O₂ = ZnO + SO₂…………………………….+ 442589,7 кДж,

57,607*442589,7:81,4=313221,93 кДж;

       б)  ZnS + 2 О₂ = ZnSO₄………………………………….+ 775150 кДж,

7,312*775150:161,4=35117,1 кДж;

      в)  PbS + 1,5O₂ = PbO+ SO₂…………………………...+ 421053,1 кДж,

        0,81*421053,1:223,2=1528 кДж;     

       г)  PbS + 2O₂ = PbSO₄ ………………………………...+ 824592 кДж,

1,1*824592/303,2=2991,6 
       д)  2CuFeS₂ + 6O₂ = Cu₂O + Fe₂O₃ + 4SQ₂ ……………+2015809 кДж,

2,88*2015809/366,8=158273,5 кДж;

       е)  2FeS₂ + 5,5 O₂ = Fe₂O₃ + 4 SO₂ ……………………….+ 1656308 кДж,

6,57*1656308:239,6=45417,13 кДж;

       ж)  2FeS + 3,5O₂ = Fe₂O₃ + 2SO₂ …………………………+1227712 кДж,

6,74*1227712/175,6=47122,89 кДж;

       з)   CdS + 1,5 O₂ = CdO + SO₂  …………………………..+ 413972 кДж,

0,17*413972/128,4=548,1 кДж, 

      и)  CdS+2 O₂ = CdSO₄………………………………….. + 786463 кДж.

0,28*786463/208,4=1056,67 кДж.

Приход   тепла   от   экзотермических   реакций   составит, кДж: 

Q₃= 313221,93 + 35117,1 + 1528+ 2991,6+ 158273,5 + 45417,13 + 47122,89 + +548,1+1056,67  = 605276,92 кДж.

 

Полный приход тепла: Q₁+Q₂+Q₃ =798+4040+605276,92=611326,92 кДж

2) Расчет расхода тепла.

1. Определяем тепло, уносимое огарком и пылью:

Q’₁=c’₁·(m’₁t’₁+m”₁·t’’₂),

Q’₁= 0,742(51,82·900+36,42·870)= 58 116 кДж,

температура огарка и пыли t’₁=900 °С, t’’₂=870 °С,

при t’₁=900 °С, t’’₂=870 °С теплоемкость огарка и пыли c’₁ = 0,742 кДж/кг·°С, [2]

масса огарка и пыли m’₁=51,82 кг, m”₁=36,42 кг

2. Тепло, уносимое газами (без паров воды):

Q’₂=(Cso₂·Vso₂+C_O2·V_O2+C_N2·V)·t_газ ,

Q’₂ =(2,21·21+1,46·4,41+1,38·117,97) ·870 =  238 027,30 кДж.

Cso₂=2,21 кДж/м³·°C, Vso₂=21 м³; [2]

Co₂=1,46 кДж/м³·°C, Vo₂=4,41 м³;

C_N2=1,38 кДж/м³·°C, V_N2=117,97 м³;

t_газ=870 °С.

3. Тепло на нагрев воды и испарение влаги:

а) тепло на нагрев воды с  10 до 100 °C;

q’ = с_в·m_в· (t’_в-t’’_в),

q’ =  4,19·6,4·(100-10) = 2413,44 кДж,

б) тепло, необходимое на испарение воды:

q’’ = λ·m_в,

q’’ = 2 258,4·6,4= 14453,76 кДж

масса воды m_в= 106,4 – 100 = 6,4 кг,

скрытая теплота парообразования  λ =2 258 кДж/кг [2].

в) тепло на нагрев пара до температуры газа:

q’’’ = C_п·V_п· (t_газ-100),

q’’’ = 1,68·7,96(870-100) = 10297,06 кДж,

теплоемкость пара C_п=1,68 кДж/м³·°C. [2]

Q’₃ = q’ + q’’ + q’’,

Q’₃= 2413,44 + 14453,76 + 10297,06 = 27 164,26 кДж.

4. Тепло, теряемое во внешнюю среду:

Q’₄ = q_{стен,свода}(F_стен + F_свода)·τ, кДж,

 

q_{стен,свода}–плотность теплового потока через трёхслойную стенку печи и трёхслойный свод, Вт/м²,

F_стен – наружная площадь поверхности стен, м²,

F_свода – наружная площадь поверхности свода, м²,

τ - время переработки концентрата, час.

а)  Определение плотности  теплового потока:

Футеровка печи, мм:

- шамот -250,

- мулитокремнезитовый войлок МКВРХ – 20,

- железный кожух, 8.

Температура внутренней поверхности  стенки печи t₁=870 °С. Температуру наружной поверхности кожуха печи принимаем t₄=150 °С. Полный перепад температур по толщине стенки Δt = t₁ – t₄ = 870 – 150 = 720 °С. 

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·°С):

-шамот: λ_ш = 0,7+0,64·10^-3·t'_ш ,[2].

- войлок: λ_в =0,027 +0,42·10^-3·t'_в , [4],

-железо: λ_0ж = 50,6 Вт/(м·°С) при t_в=20 °С; λ_ж=48,6 Вт/(м·°С), при t'_ж=150 °С, [2].

Тепловые сопротивления  каждого слоя R_0ш, R_0с, R_0ж и всей стенки R₀ в холодном состоянии, т.е. при 0 °С, (м²·°С)/Вт, равны:

R₀= R_0ш + R_0в + R_0ж,

R₀=  0,329 + 1,09 + 0,00020 = 1,4192 (м²·°С)/Вт,

 

R_0ш = = = 0,329 (м²·°С)/Вт;

R_0в = = =1,09 (м²·°С)/Вт;

R_0ж = = = 0,0002 (м²·°С)/Вт. 

Определим перепады температур во всех слоях стенки:

Δt_ш = = = 166 °С,

Δt_с = = = 553 °С.

Температуры на границе слоёв:

t₂ = t₁ – Δt_ш = 870 – 166 = 704 °С,

t₃ = t₂ – Δt_в = 704 – 553 = 151 °С.

Средние температуры слоёв:

t`_ш = (t₁ + t₂)/2 = (870 + 704)/2 = 787 °С,

t`_в = (t₂ + t₃)/2 = (704 + 151)/2 = 428 °С,

t`_ж = (t₃ + t₄)/2 = (151 + 150)/2 = 150,5 °С;

Определяем коэффициенты теплопроводности в «горячем» состоянии:

 

λ_ш = 0,7 + 0,64·10-3· t`ш = 0,7 + 0,64·10^-3· 787 = 1,20 Вт/(м·°C),

λ_в = 0,029 +0,00029·t'_с = 0,023 +0,00042·428= 0,202 Вт/(м·°C),

λ_ж= 48,6 Вт/(м·°C) [2].

 

Определяем плотность  теплового потока через трехслойную  стенку:

 

q_стен = = = 2 322 Вт/м²,

Проверим заданную температуру  t₄ = 150 °C:

q_Σ = α_Σ(t₄ – t_окр.ср.) = 17,4·(150 - 20) = 2 281 Вт/м²,

 при t₄ = 150 °C суммарный коэффициент теплоотдачи α_Σ=17,4 Вт/(м²·°C) [2].

Расхождение Δ = = 1,7 % < 5 %, пересчета не требуется.

Для предохранения обслуживающего персонала нижнюю часть печи в  районах обслуживания дополнительно  теплоизолируют снаружи.

q_стен= q_свода = 2322 Вт/м².

б) Определим наружную площадь  поверхности стен и свода:

F_стен = π··H_п = π·7,26·8,7 = 198 м²

диаметр печи с учётом футеровки: D_н = 6,7 + 2(0,25 + 0,02 + 0,008) = 7,26 м,

высота печи с учетом футеровки: H_п.н. = 8,4 + (0,25 + 0,02 + 0,008) = 8,7 м,

в предыдущих расчетах найдено: D = 6,7 м, H_п = 8,4 м.

F_свода = π= π= 41,4 м²

в) Определяем время переработки  концентрата :

τ = = = 0,007 часа,

24 – количество часов  в сутках,

масса влажного концентрата  m = 106,4 кг,

А – суточная производительность печи, кг/сутки (влажного концентрата).

Q’₄=q_{стен,свода}(F_стен + F_свода)·τ·3600 =2322·(198 + 41,4)·0,007·3600=15 284 кДж

3600 – количество секунд  в часе.

 

Итого расход: Q’₁ + Q’₂ + Q’₃ + Q’₄  = 58 116 + 238 027,30 + 27 164,26 +  

  + 15 284 =  338 591,56 кДж.

Сравнение прихода и расхода  тепла указывает на избыток тепла  в процессе обжига: Q_изб = Q_прих– Q_расх= 610 114,92– 338 591,56= 271 523,36 кДж.

Избыточное тепло отнимается трубчатыми теплообменниками.

Определим площадь поверхности  трубчатых теплообменников в  слое:

F = = ≈ 47,0 м².

принимаем коэффициент теплопередачи  = 1200 кДж/м²·час·°C

средняя температура слоя t’= 900 °C; пароводяной эмульсии t”=250°C

время переработки 106,4 кг концентрата  τ = 0,007 часа.

Принимаем поверхность одной  секции теплообменного устройства равной 2,0 м², тогда число их будет 24.

Определим расход воды на охлаждение.

При теплосодержании пара 2 790 кДж/кг, а воды 1 048 кДж/кг в пароводяной 60 %-ной эмульсии и при теплосодержании питающей воды 419 кДж/кг расход воды определяется из соотношения:

Q_изб= (0,6x·2 790 + 0,4x·1 048) - x·419,

 

x = = 162 кг за 0,007 часа

 

 или 21 687 кг/час (22 м³/час).

 

3)  Составляем таблицу теплового баланс печи для обжига цинковых концентратов в кипящем слое (таблица 7).

 

 

 

 

 

 

Таблица 7 –  Тепловой баланс печи для обжига цинковых концентратов в кипящем слое.

№ п/п	Приход	кДж	%	№ п/п	Расход	кДж	%
1	Физическое тепло концентрата	798	0,13	1	Тепло, уносимое огарком  и пылью	58 116	9,53
2	Физическое тепло воздуха	4 040	0,66	2	Тепло, уносимое газами	238 027,30	39,01
3	Тепло экзотермических реакций	605 276,92	99,21	3	Тепло на нагрев и испарение  влаги	27 164,26	4,45
				4	Тепло, теряемое во внешнюю  среду	15 284	2,51
				5	Тепло, отнимаемое теплообменниками	271 523,36	44,50
	Итого	610 114,92	100		Итого	610 114,92	100

 

 

 

2.6 Расчет газоходной системы

Принимаем приведенную на рис. 2 схему газоходной системы. Эта  схема обеспечивает хорошую утилизацию тепла отходящих газов и достаточно полное улавливание пыли.

Рассчитаем количество газов, образующихся в печи:

n_г = ,

n_г = = 5,63 м³/сек,

= 151,34 м³ - общий объем отходящих газов [таблица 4];

А = 315000 кг/сутки – удельная производительность печи;

m = 106,4 кг – масса влажного концентрата;

τ – число секунд в сутках, сек;

 

Температура газов 870 °С, удельный вес  = 1,42 кг/м³[1].

Температура газов на выходе из котла-утилизатора по условиям его  работы 350 °С.

         С учетом подсоса по 5% количество  газа на участках будет, м³/сек:

Печь—котел………………………………………5,63 ·1,05=5,91

Котел—циклон …………………………………..5,63 ·1,1 =6,19

Циклон—электрофильтр ………………………..5,63 ·1,15=6,47

Электрофильтр—дымосос ………………………5,63 ·1,2=6,76

Схема газоходной системы  печи кипящего слоя представлена на рисунке  4.

Температура газов на выходе из печи с учетом подсоса

t_г^вых.п. = ,

t_г^вых.п. = = 830 °С;

Температура газов на входе  в котел при падении температуры на 5 °С на 1 пог. м  газохода:

t_г^вх.к.=t_г^вых.п. -5·6,

t_г^вх.к= 830 - 5·6 = 800 °С.

Температура газов на выходе из котла: t_г^к = 350 °С;

с учетом подсоса:

t_г^вых.к. = ,

t_г^вых.к = = 330 °С.

Температура газов на входе  в циклон:

t_г^вх.ц.=t_г^вых.к. -2·10,

t_г^вх.ц.=330 - 2·10 = 310 °С.

Температура газов на выходе из циклона: t_г^ц = 230 °С;

с учетом подсоса:  

t_г^вых.ц. = ,

t_г^вых.ц. = = 220 °С.

 

Температура газов на входе  в электрофильтр:

t_г^{вх.эл.ф.} =t_г^вых.ц. -2·10,

t_г^{вх.эл.ф.} =220 - 2·10 = 200 °С.

 

Температура газов на выходе из электрофильтра: t_г^{вх.эл.ф.} = 150 °С,

с учетом подсоса:

t_г^{вых.эл.ф..} = ,

t_г^{вых.эл.ф..} = = 143 °С.

 

Температура газов  перед  дымососом:

 

t_г^вх.д. =t_г^{вых.эл.ф.} -1·8,

t_г^вх.д. =143 - 1·8 = 135 °С.

Участок   печь - котел

Средняя температура газов:

t_ср.г.= (t_г^вых.п + t_г^вх.к.)/2,

t_ср.г.= (830 + 800)/2 = 815 °С;