Технологические расчеты вращающихся печей

 

где S_пер.- периметр свободного сечения печи, м.

S_nep = = 3,14·3,99·(360-82,5)/360 – 1,59 = 8,07 м.

По практическим данным для зоны подогрева можно  принять коэффициент заполнения барабана печи φ= 5,6 - 8,0 %. Выбираем φ = 6,8 %.

Тогда F_печи = (πD²_п / 4) (1 – φ) = (3,14·3,99² / 4) (1 – 0,068) = 11,65 м.

S_эф = 3,6·(11,65 / 8,07) = 5,2 м.

Определим состав газов по зонам.

Согласно  данным расчета процесса горения  топлива, в продуктах сгорания 100 м³ газа присутствует 159 м³ СО₂; 120 м³ Н₂О; 970 м³ N₂; 43 м³ О₂. Для зоны спекания состав газов соответствует составу продуктов сгорания топлива, т. е. СО₂=12,304 %; Н₂О = 9,29 %; N₂=75,06 %; О₂ = 3,33 %.

В зоне кальцинации  полностью разлагаются карбонаты. Тогда объем газов от горения  топлива при его расходе 25 % от веса сухого боксита (практические данные) составит 1292,2·0,25 = 323,05 м³.

С учетом объема СО₂, выделившегося при разложении карбонатов (таблица 14) в количестве 14,61 м³, общий объем газов в зоне кальцинации составит 14,61 + 323,05 = 337,66 м³. Средний объем газов в зоне кальцинации равен 323,05 + 0,5·14,61 = 330,36 м³. Тогда состав газов в зоне кальцинации будет следующим:

CO₂ = (0,5·14,61 + 159·0,25) ·100 / 330,36 = 14,24 %;

H₂O = 120·0,25·100 / 330,36 = 9,08 %;

O₂ = 43·0,25·100 / 330,36 = 3,25 %;

N₂ = 970·0,25·100 / 330,36 = 73,41 %.

В зоне подогрева  в газовую фазу переходит 11,15 кг Н₂О из исходной шихты, или 11,15·22,4 / 18 = 13,88 м³.

Общий объем  газов в конце зоны подогрева  составит

330,36 + 13,88 = 344,24 м³.

Средний объем  газов равен 330,36 + 0,5·13,88 = 337,3 м³.

Содержание  компонентов в газах зоны подогрева  равно 

CO₂ = (14,61 + 159·0,25)·100 / 337,3 = 16,12 %;

H₂O = (120·0,25 + 13,88·0,25)·100 / 337,3 = 9,92 %;

O₂ = 43·0,25·100 / 337,3 = 3,19 %;

N₂ = 970·0,25·100 / 337,3 = 71,89 %.

В зоне сушки  в газовую фазу переходит из шихты  внешняя влага в количестве 173,22 кг, или 173,22·22,4/18 = 215,56 м³. Общий объем газов в конце зоны равен объему отходящих газов, т.е. 215,56 + 344,24 = 559,8  м³. Средний объем газов в зоне составляет 215,56·0,5 + 344,24 = 452,02 м³. Тогда состав газов в зоне сушки таков:

CO₂ = (14,61 + 159·0,25)·100 / 452,02 = 12,03 %;

H₂O = (120·0,25 + 13,88 + 215,56·0,25)·100 / 452,02 = 33,55 %;

O₂ = 43·0,25·100 / 452,02 = 2,38 %;

N₂ = 970·0,25·100 / 452,02 = 53,65 %.

Среднюю температуру  газов в зоне подогрева находим  по формуле логарифмического усреднения между газами и материалом

Здесь t_г^н = 1250°С; t_г^к = 750°С; t_ш = 450°С, отсюда средняя температура газов в зоне составит

˚С

 

Степень черноты  СО₂ и Н₂О находим по графикам при нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа.

При P_СО2S_эф = 0,1612·5,2·101,325 = 84,85 кПа·м

t_Г = 960°C; ε_CO2 = 0,17

Р_H2OS_эф=0,0992·5,2·101,325 = 52,24 кПа·м;

t_Г = 960°С;  ε΄_H2O = 0,3; ε_H2O = 1,08·0,3 = 0,32;

ε_Г = 0,17 + 0,33 = 0,49.

Степень развития кладки в зоне подогрева составляет

.

По формуле  рассчитываем приведенный коэффициент  излучения

Вт/(м²·К⁴).

Определяем  величину теплового потока излучением:

 Вт/м².

При принятой средней скорости движения газов  в печи 5 м/с величина конвективного теплового потока на материал согласно эмпирической зависимости

q_к = 14,76·w₀ (t_г – t_ш) / πD,

где t_г и t_ш – средние температуры газов и шихты, ^оС;

составит

q_к=10,76· 5 (960 - 450) = 27438 Вт/м².

Средняя температура  кладки составит t_k = (960 + 450)/2 = 705°С. Тогда

Вт/м².

Длина зоны подогрева составит

 м.

В зоне кальцинации  начальную температуру газов  принимаем t_г^н = 1400°С; конечную температуру газов t_г^к = 1250°С; температуру шихты t_ш = 875°С. Средняя температура газов в зоне равна

˚С.

Средняя температура  кладки в зоне составляет

t_к=(1320+875)/2=1100 °С.

Состав газов  в зоне кальцинации (в соответствии с предыдущими расчетами): 14,24 % СО₂; 9,08 % Н₂O.

В зоне кальцинации  происходит термическое разложение карбонатов, натриевого алюмосиликата, образование основной массы (до 90 %) алюмината и феррита натрия и двухкальциевого силиката, появляется небольшое количество жидкой фазы. Температура шихты на выходе из зоны достигает 1000°С, температура газов на входе в зону - 1400 °С. Унос пыли составляет 25 % от общего пылеуноса.

Теплопотребление  в зоне кальцинации по статьям  идет:

• на нагрев спека до 1000 °С

0,88·142,06·(1000-750) = 28364,2 кДж = 31,25 МДж,

где 0,88 - теплоемкость спека, кДж/(кг·К);

• подогрев пыли до 1250 °С

0,96·44,76·(1250-750) = 20118,3 кДж = 21,48 МДж,

 

где 0,96 - теплоемкость пыли, кДж/(кг·К);

• нагрев технологических  газов (СО₂) до 1250 °С

2,202·26,1·(1250-750) = 29348,4 кДж = 28,73 МДж,

где 2,202 - теплоемкость СО₂, кДж/(кг·К);

• разложение карбонатов. При этом количество СаСО₃ (молекулярная масса - 100) в шихте (в известняке и боксите) (таблица 16) через СаО (молекулярная масса - 56) равно 5,44·100 / 56 = 9,71 кг.

Тогда в соответствии с уравнением

СаСО_з=СаО+СО₂ - 178000 кДж

затраты тепла  составят

9,71·178000 / 100 = 18572,6 кДж = 17,29 МДж.

• разложение кальцинированной соды. Учитывая, что  в шихте Na₂CO₃ (молекулярная масса - 106) содержится в соде и оборотном растворе через Na₂O (молекулярная масса – 62), определим количество разложившейся соды

(34,55 + 0,47) · 106 / 62 = 59,87 кг

Тогда в соответствии с уравнением

Na₂CO₃ = Na₂O + СО₂ - 322000 кДж

затраты тепла  будут равны

59,87·322000 / 106 = 181861 кДж = 181,861 МДж

• разложение натриевого алюмосиликата. Количество  Na₂O·Аl₂О₃·2SiО₂ (молекулярная масса - 284) на 1 тонну шихты рассчитываем по SiO₂ (молекулярная масса - 60) в белом шламе:

1,29·284·16/(2·60) = 30,6 кг.

Ввиду отсутствия экспериментальных данных по тепловому  эффекту разложения этого соединения принимаем, что он равен тепловому  эффекту реакции разложения Na₂O·Аl₂Оз·2SiО_2. Тогда

Na₂O·Аl₂Оз·2SiО₂=Na₂O+Аl₂О₃+2SiO₂ - 261000 кДж;

затраты тепла составят 30,6·261000 / 284 = 27766,1 кДж = 28,12 МДж

• теплоту  экзотермической реакции образования  алюмината натрия Na₂O·Аl₂О₃ определяем по содержанию Аl₂О₃ в шихте (таблица 16) (молекулярная масса -102) исходя из уравнения

Na₂O + Аl₂О_з = Na₂O·Аl₂О₃ + 230000 кДж.

Тогда 53,11·230000 / 102 = 119750 кДж = 119,75 МДж.

• теплоту  образования ферритов натрия устанавливаем  по Fe₂O₃  (молекулярная масса - 160) в спеке согласно уравнению

Na₂O + Fe₂O₃ = Na₂O·Fe₂О₃ + 178000 кДж;

20,65·178000 / 160 = 22973,1 кДж = 22,973 МДж.

• теплоту  экзотермической реакции образования  титаната натрия  устанавливаем по TiO₂ (молекулярная масса - 80) в спеке в соответствии с уравнением

Na₂O + TiO₂ = Na₂O·TiO₂ + 178000 кДж.

Тогда 2,04·178000 / 80 = 4539 кДж = 45,39 МДж.

• теплоту  образования двухкальциевого силиката устанавливаем по СаО (молекулярная масса - 56) в спеке в соответствии с уравнением

2СаО + 8SiO₂ = 2CaO·SiО₂ + 119000 кДж,

5,44·119000 / (2·56) = 5780,15 кДж = 5,78 МДж.

Итого, теплопотребление в зоне кальцинации составляет

31253,7 + 21483,3 + 28732,8 + 17291,9 + 181861 + 28119,5 - 119750  - 22973,1 - 4539 – 5780,15 = 155700 кДж = 155,7 МДж.

Ширину слоя (хорда l_x) и контактную поверхность его с барабаном (1_q) определим исходя из соотношений размеров сегмента материалов в поперечном сечении участка. Из практических данных принимаем центральный угол в зоне кальцинации равным 77,5°. Тогда

l_x = D_пsinα/2 = 3,99 sin (77,5/2) = 3,46 м.

l_q = πD_пα/360 = π·3,99 (77,5/360) = 2,7 м.

Определяем  эффективную длину лучей газового потока

где S_пер - периметр свободного сечения печи, м.

S_nep= =

По практическим данным для зоны кальцинации можно  принять коэффициент заполнения барабана печи φ = 4,8...7,0 %. Выбираем φ = 5,9 %. Тогда

Степень черноты  для СО₂ и Н₂О в зоне кальцинации находим из состава газов в ней:

P_CO2S_эф = 0,1424·6,65·101,325 = 95,94 кПа·м,

при  t_Г = 1320°С ε_CO2 = 0,16;

P_H2OS_эф = 0,0908·6,65·101,325 = 61,16 кПа·м,

при t_Г = 1320°С ε΄_H2O = 0,28; β = 1,08; ε_H2O = 0,28·1,08 = 0,3;

Тогда степень  черноты газов составит ε_Г = 0,16 + 0,3 = 0,46.

Степень развития кладки в зоне кальцинации составляет

Приведенный коэффициент излучения равен

3,57 Вт/(м²·К⁴).

Определяем  величину тепловых потоков:

167776 Вт/м².

При принятой средней скорости движения газов  в печи, в том числе и в  зоне кальцинации 5 м/с, величина конвективного теплового потока на материал составит

q_k = 14,76·5·(1320-875) / 3,14·3,99 = 2621,44 Вт/м².

С учетом температуры  кладки 1100 °С получим

54505,21 Вт/м².

Длина зоны кальцинации составит

7,73 м.

Протяженность зон спекания L_сп и охлаждения L_охл рассчитываем по необходимому времени пребывания шихты и спека в печи. Принимаем для зоны спекания τ_сп = 0,4 ч, для зоны охлаждения τ_охл = 0,25 ч.

Находим скорость движения материалов, принимая угол наклона  печи γ = 2,5 %, а скорость вращения печи п = 1,0 об/мин. Пусть синус угла естественного откоса материалов в зоне спекания составит 0,8, а для зоны охлаждения - 0,72. Тогда скорость движения материалов в зоне спекания составит

а в зоне охлаждения

Следовательно, L_сп = 23,44·0,4 = 9,38 м; L_охл = 26,04·0,25 = 6,51 м.

Полная длина  печи составит 12,98 + 65,8 + 7,73 + 9,38 + 6,51 = 102,4 м. Принимаем полную длину печи 103 м.

 

 

5 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

5.1 Статьи прихода

Расчет ведем  на 1 т глинозема и заданную производительность печи по бокситу 25,3 т/час.

1. Теплоту  от сгорания топлива определяем  из расчета горения топлива

Q_x=B·Q_н^р = 38463,8 B кВт.

2. Теплота  экзотермических реакций образования  алюминатов натрия, феррита натрия, двухкальциевого силиката, титаната натрия, которые протекают в основном в зоне кальцинации:

Q_экз=Q_Na2OAlO3+Q_NaFeO3+Q_2CaO·SiO2+Q_2CaO·TiO2 =

= (119,750+ 22,97 + 4,539 + 5,780)·1000·10·10 / 3600 = 8415,6 кВт.

Общий приход теплоты в печь составит  38463,8 B + 8415,6

5.2 Статьи расхода

1. Физическая  теплота спека при температуре 1000 °С

Q_cп = C_спG_спt_сп = 0,88·142,06·1000·10·10 / 3600 = 3472,64 кВт,

где C_сп = 0,88 кДж / (кг·К) – теплоемкость спека;

      G_сп = 142,06 кг / на 100 кг – выход спека на 100 кг боксита (таблица 16).

2. Физическая  теплота пыли при температуре  отходящих газов 250 °С

Q_п = G_пC_пt_п = 44,76·0,88·250·10·10 / 3600 = 273,51 кВт,

где G_п = 44,76 кг – количество пыли в обороте на 100 кг боксита;

      С_п = 0,88 кДж / (кг·К) – теплоемкость пыли.

3. Затраты  теплоты на эндотермические реакции  и сопутствующие физические процессы (испарения влаги, нагрев шихты,  и прочие) в зоне сушки и  подогрева составили 296413,86 кДж,  а в зоне кальцинации – 308742 кДж. Таким образом, суммарные  затраты теплоты на эти процессы  составили 605156 кДж или 16809,9 кВт.

4. Теплота  отходящих газов, состоящих из  продуктов сгорания топлива (раздел 4) и технологических газов (таблица  13):

Q_г = C_дt_дV_αB + C_CO2t_дV_CO2 + C_H2Ot_дV_H2O

Q_г = (1,389·12,922·В + 1,59·16,01 + 1,2·239,53)·250 = 4487,16·B + 78223 кДж, где 78223·10·10/3600 = 2172,86 кВт.

5. Потери  теплоты через стенку теплопроводностью  рассчитываем по зонам.

В зоне сушки  температура материала на входе  составляет 40°С, на выходе 150°С, в среднем °С. Температура газов на входе в зону составляет 750°С, на выходе 250°С, в среднем °С. Тогда общее количество теплоты, теряемое в окружающую среду в зоне сушки, составит