2

Расчет вращающейся печи для спекания боксита производительностью по спеку

G = 16 т/час»

Исходные данные для расчета.

1. Состав обрабатываемого боксита, %:

Al2O3	SiO2	Fe2O3	CaO	TiO2	П.П.П.	прочие
51,9	4,2	23,0	4,0	1,7	14,4	0,8
П.П.П. - потери при прокаливании

2. Состав, используемого в процессе спекания известняка, %

CaO	SiO2	П.П.П.	прочие
51,1	1,7	46,1	1,1

3. Основные технологические параметры

Влажность боксита составляет 10%;

Содержание Na₂CO₃ в соде составляет 98%;

Содержание Al2O3 в товарном глиноземе равно 98,8%;

Товарный выход глинозема из боксита составляет 80%.

4. Печь отапливается природным газом следующего состава, (в объемных процентах):

CH4с.г.	C2H6с.г.	C3H8с.г.	C4H10с.г.	N2с.г.	CO2с.г.
94,7	1,2	0,5	0,3	2,9	0,4

Влагосодержание 1м³ сухого газа равно g^с.г.=10,3 г/м³.

5. Подогрев воздуха, подаваемого на горение, осуществляют в барабанном или рекуперативном холодильнике (выбрать самостоятельно). Температура подогрева воздуха t_в и коэффициент избытка воздуха б также выбираются самостоятельно в пределах допустимых границ.

ВВЕДЕНИЕ

Для каждой алюминиевой руды существует наиболее выгодный способ переработки. Определяющей является массовая доля каждого из трех основный оксидов, содержащихся в технологическом сырье (Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂), Содержание CaO, H₂O, CO₂, TiO₂ и других оксидов имеет второстепенное значение. Так для бокситов с низким содержанием кремния рекомендуется использовать гидрохимические способы, а для бокситов, содержащих значительное количество кремния и железа, наиболее приемлемо щелочное спекание.

Из термических способов производства глинозема промышленное применение имеет способ спекания, основанный на получении алюмината натрия. В отличие от гидрохимического способа спекание можно применять практически для любого вида алюминиевого сырья. Однако, в промышленном масштабе его применяют в основном для переработки двух видов сырья - высококремнистого боксита и нефелина.

Сущность способа спекания заключается в образовании алюмината натрия при высокой температуре в результате взаимодействия в смеси алюминиевой руды, соды и известняка. Полученный при этом пористый спек выщелачивают водой. Раствор алюмината натрия после выщелачивания разлагают углекислым газом с выделением в осадок гидроксида алюминия, который для получения безводного глинозема подвергают кальцинации. Цель спекания - перевести содержащийся в руде алюминий в форму водорастворимого алюмината натрия и связать кремнезем в малорастворимые кальциевые силикаты.

По способу спекания можно перерабатывать сырье с высоким содержанием кремнезема. Чем выше содержание кремнезема в сырье, тем больше известняка добавляют в шихту.

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА ПО СПОСОБУ СПЕКАНИЯ

Сущность способа спекания заключается в образовании алюмината натрия при высокой температуре в результате взаимодействия смеси алюминиевой руды, соды и известняка. Полученный при этом пористый спек выщелачивают водой. Раствор алюмината натрия после выщелачивания разлагают углекислым газом с выделением в осадок гидроксида алюминия, который для получения безводного глинозема подвергают кальцинации.

Реакции, протекающие при спекании насыщенной боксито - содо - известковой шихты, могут быть представлены следующим образом:

Al₂O₃?H₂O+Na₂CO₃=2NaAlO₂+Co₂+H₂O

Fе₂O₃?H₂O+Na₂CO₃=2NaFeO₂+CO₂+H₂O

Кремнезем сырья способен соединяться при спекании с содержащимися в шихте оксидом алюминия и щелочью в алюмосиликат натрия (Na₂O?Al₂O₃?SiO₂), что обуславливает при гидрохимической обработки спека потери оксида алюминия и щелочи. Поэтому в шихту добавляют известняк, который связывает кремнезем в нерастворимое соединение - двухкальциевый силикат (2CaO?SiO₂):

CaCO₃+SiO₂=2CaO?SiO₂+2CO₂

Кроме того, происходит частичная диссоциация СаСО₃ с образованием СаО.

По способу спекания можно перерабатывать сырье с высоким содержанием кремнезема. Чем выше содержание SiO₂ в сырье, тем больше известняка добавляют в шихту.

Для низкокремнистых бокситов может быть применено спекание боксита с содой без добавки известняка. Независимо от содержания и минералогической формы кремнезема в сырье связывание кремнезема в двухкальциевый силикат позволяет перевести оксид алюминия, содержащийся в сырье, в растворимый алюминат натрия.

Дозировка шихты для процесса спекания должна осуществляться с учетом составных частей всех компонентов: основного сырья, известняка, свежей соды, оборотного раствора, топлива, белого шлама (алюмосиликата натрия), образующегося при обескремнивании, и пульпы, получающейся при промывке в скрубберах отходящих газов печей спекания.

Оптимальные температурные условия спекания определяются минералогическим и химическим составом сырьевых материалов и соотношением компонентов шихты.

Интенсивность и полнота взаимодействия реагирующих твердых веществ шихты зависит от степени равномерности смешивания этих веществ, крупности частиц шихты и температуры спекания.

При достижении температуры начала плавления шихты образуется жидкая фаза в количестве, достаточном для связывания и окускования материала, и получается пористый спек.

Спекание проводят при температурах 1200...1300 °С, что позволяет превратить практически весь оксид алюминия в алюминат натрия. В результате образуются кусковой пористый частично оплавленный спек темно-серого цвета, а также газы, содержащие 10... 12 % СО₂, которые используют для карбонизации алюминатных растворов.

Спек после охлаждения дробят до крупности 6...8 мм и направляют на выщелачивание, которое производят водой и слабым оборотным раствором соды. Цель выщелачивания - перевод твердого алюмината натрия в раствор. Нерастворимый остаток (шлам) отделяют от алюминатного раствора и отправляют в отвал. Выщелачивание спека должно осуществляться в условиях, способствующих переходу в раствор алюмината натрия и разложению феррита натрия. А также в условиях, препятствующих протеканию реакций разложения двухкальциевого силиката с дальнейшим образованием нерастворимого алюмосиликата натрия.

В результате частичного разложения двухкальциевого силиката и образования растворимого силиката натрия в алюминатном растворе после выщелачивания содержится кремнезем в количестве соответствующем отношению по массе Аl2О3 к SiO2 (кремниевому модулю) в растворе, равному 30…40.

После обескремнивания пульпа, состоящая из раствора и белого шлама, проходит стадии сгущения и фильтрации. Белый шлам возвращают на приготовление исходной шихты а осветленный алюминатный раствор направляют на карбонизацию, т.е. разложение алюминатного раствора диоксидом углерода. Карбонизацию осуществляют пропусканием через раствор топочных газов содержащих СО..

В результате каустический модуль раствора понижается, что создает условия для гидролитического разложения алюмината натрия. Образовавшаяся при этом щелочь карбонизируется новыми порциями СО₂, и разложение алюмината натрия продолжатся. Процесс карбонизации должен обеспечить получение крупнокристаллического гидроксида алюминия с минимальным содержанием примеси кремнезема и щелочей.

Конструкция вращающихся печей

Вращающиеся печи широко применяют для нагрева сыпучих материалов в различных отраслях промышленности.

Корпус печи представляет собой сварной металлический барабан диаметром до 5 м и длиной до 185 м, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Барабан сваривают из листовой стали. Как правило, диаметр барабана по всей длине одинаков.

Футеровка барабана работает в тяжелых условиях, что связанно с периодическими перепадами температур на поверхности кладки, обусловленными вращением печи и пересыпанием находящегося в ней материала. Перепад температур при входе и выходе из-под слоя шихты составляют 150...200°С. В зоне спекания на футеровку сильное химическое и абразивное воздействие оказывает материал. В зоне сушки кладка подвержена значительному истиранию цепями или отбойными устройствами. Основным материалом для футеровки печей глиноземного производства служит шамот. Высокотемпературные зоны печи выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового и периклазошпинелидного огнеупорного кирпича. Толщина футеровки составляет 230... 350 мм. Чтобы предотвратить разрушение футеровки при остановках печи, барабан должен вращаться до ее полного охлаждения. На наружной поверхности барабана закрепляют стальные опорные бандажи в виде неразрывных колец шириной 400... 800 мм. Каждый бандаж опирается на два ролика, вращающиеся во время работы печи. Ширина роликов обычно на 50...100 мм больше ширины бандажа. Опорные ролики установлены на массивных стальных плитах, укрепленных на железобетонных фундаментах таким образом, что барабан печи имеет небольшой уклон к горизонту, составляющий 1...3 град. Как правило, уклон задают в процентах от общей длины печи (2...4 %).

Барабан вращается вокруг своей оси со скоростью 0,6...2,0 об/мин, регулирование числа оборотов барабана производят специальным устройством.

Для остановки вращения печи в любом положении служит электромагнитный фрикционный тормоз, через обмотку которого во время работы печи постоянно пропускается ток. Когда подача тока прекращается, электромагнит выключается и отпускает колодки тормоза, которые и зажимают приводной вал.

Верхний торец печи входит в загрузочную камеру. Сухую шихту загружают в печь с помощью шнекового питателя через патрубок, расположенный в загрузочной камере. Пульпу подают в печь через пульповую трубку ковшом-дозатором или с помощью специальной форсунки. Уловленную пыль возвращают в печь вместе с шихтой, подавая ее либо через дозатор, либо в специальный смеситель.

Нижний конец печи входит в загрузочную (или топочную) камеру. Между ней и барабаном ставят специальное кольцевое уплотнение, перекрывающее щель между вращающимся барабаном и неподвижной камерой.

Рис. 1. Печь для спекания бокситов

1- железный барабан, 2- холодный конец, 3 - горячий конец, 4 - ролики, 5 - бандажи, 6 - подшипники, 7 - приспособление, препятствующее сходу барабана с опор, 8 - двигатель, 9 - венцовая шестерня, 10 - топливная головка. 11 - кольцо с кромкой, 12 - загрузочная коробка, 13 - отбойное приспособление (стальная болванка)

Тепловая работа вращающихся печей

Тепловая работа любой печи характеризуется рядом показателей, важнейшими из которых являются тепловой и температурный режимы, производительность печи, удельный расход топлива и коэффициент полезного действия. Тепловой режим характеризует изменение во времени тепловой нагрузки, т.е. количества теплоты, подаваемой в печь в каждый момент времени, а температурный режим представляет собой изменение температуры печи во времени или по длине печи.

В рабочем пространстве вращающейся печи протекают процессы выделения теплоты при сжигании топлива, движения газовой среды и материала, внешнего и внутреннего теплообмена. Эффективность тепловой работы печи зависит от того, насколько совершенно осуществляются в ней эти процессы. От организации тепловой работы вращающихся печей зависят не только производительность и экономичность процесса производства глинозема, но и срок службы печи и качество конечного продукта. Процесс спекания осуществляют при достаточно высоких температурах. По мере изменения температуры по длине рабочего пространства вращающихся печей происходят процессы с образованием различных неустойчивых соединений.

В пламенных печах одним из основных и наиболее эффективных способов улучшения их тепловой работы является интенсификация теплообменных процессов за счет совершенствования процессов горения. Рациональное сжигание топлива позволяет создать в рабочем пространстве вращающихся печей необходимые температурный и газовый режимы, предусмотренные технологией глиноземного производства.

При нагреве сыпучих материалов во вращающихся печах теплота поступает в зону технологического процесса за счет одновременного протекания всех трех видов теплообмена. На участках, где температура продуктов сгорания достигает 1200...1600°С, осуществляется радиационный режим работы печи. По мере продвижения продуктов сгорания топлива по длине печи они охлаждаются до нескольких сот градусов и режим тепловой работы печи постепенно становится конвективньм. Конкретное распределение в печи зон с конвективным и радиационным режимами работы зависит от вида и параметров технологического процессов. С точки зрения внешнего (по отношению к нагреваемому материалу) теплообмена вращающаяся печи может быть условно разделена на энергетически однородные участки - тепловые зоны, в пределах которых температуру, радиационные характеристики и коэффициент теплоотдачи от газов к материалу можно считать постоянными величинами. Кроме того, в рабочем пространстве происходит и так называемый внутренний теплообмен: поступившая в слой материала теплота распределяется в нем путем теплопроводности. При вращении барабана печи происходит энергичное перемешивание сыпучего материала, температура по высоте слоя практически выравнивается и его можно считать тонким в тепловом отношении телом, нагрев которого может сопровождаться эндо- и экзотермическими реакциями. Перенос теплоты в кладке печи происходит также вследствие теплопроводности. Изменение температуры внутренней поверхности футеровки во времени носит циклический характер. Время цикла равно времени полного оборота печи. Условно его делят на два периода. В первом периоде поверхность кладки находится в контакте с греющими газами и постепенно нагревается, получая от нее теплоту излучением и конвекцией. Ко второму периоду относят время ее контакта с нагреваемым материалом, в течение которого температура поверхности кладки снижается. Анализ данных расчета поля температур кладки, полученных при решении уравнения теплопроводности с использованием численных методов, показал, что колебания температуры во времени происходят на определенном расстоянии от поверхности футеровки, получившим название глубины проникновения тепловой волны. Колебания температуры, достигающие на внутренней поверхности барабана при входе и выходе ее из-под слоя шихты нескольких сотен градусов, распространяются на глубину 1...5 см., чем ближе к поверхности, тем выше термические напряжения, возникающие в кладке, и тем больше вероятность ее разрушения (трещины, сколы и т.д.).

Вращающиеся печи глиноземного производства работают в режиме противотока. Максимальную температуру и газы, и материал имеют со стороны топливной камеры, а минимальную - со стороны загрузочной камеры.

Температурный режим работы вращающихся печей не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологического процесса и в значительной мере определяется химическим и фракционным составом перерабатываемых материалов. Обычно его устанавливают опытным путем и организуют таким образом, чтобы в печи строго соблюдался график нагрева шихты, соответствующий технологии данного процесса.

Рассмотрим температурный режим процесса спекания бокситов. Все рабочее пространство вращающейся печи можно условно разделить на четыре зоны, в которых происходят определенные изменения обрабатываемой шихты.

Первая зона, которую называют зоной сушки и обезвоживания, находится в верхней части печи со стороны загрузки шихты. Вначале из шихты испаряется внешняя влага, и температура материала при этом остается практически неизменной близкой к 100 °С. Затем температура высушенной шихты возрастает до 600 °С. Движущиеся навстречу ей газы охлаждаются от 1100 до 240 °С.

Во второй зоне, называемой зоны кальцинации, температура шихты продолжает расти и достигает 1000 °С. В этой зоне происходит полное разложение карбоната кальция, требующее затрат теплоты, поэтому температура газов снижается с 1300 до 1100 °С.

Третья зона - зона спекания - характеризуется максимальными значениями температур как шихты (1000...1200 °С), так и газов (1350...1450 °С), так как именно здесь происходит горение факела. В третьей зоне полностью разлагается Na₂CО₃ и завершается процесс спекания.

Четвертая зона - зона охлаждения - располагается за срезом заглубленного в печь топливосжигающего устройства, т.е. за горящим факелом. Благодаря потоку идущего из холодильника воздуха, имеющего температуру 150...300°С, обеспечивается охлаждение спека до температуры 1000°С, что резко увеличивает его механическую прочность (по сравнению с размягченным состоянием), необходимую для перегрузки в расположенный в низу холодильник.

Нужно учитывать, что качество готового продукта, получаемого во вращающихся печах, определяется не только кинетикой, но и движением материала, т.е. временем его пребывания в печи. В зависимости от того, насколько мгновенные скорости отдельных частиц отличаются от средней скорости движения материала (при постоянном распределении температуры по длине печи), изменяется степень превращения каждой частицы и, следовательно, фазовый состав глинозема. Наличие в печи частиц с различными скоростями движения и неопределенность соотношения таких частиц из-за технологических возмущений, нарушающий установившийся режим, затрудняют надежный контроль и регулирование тепловой работы печей. В то же время одной из главных задач оперативного управления является поддержание всех параметров на заданном уровне, что возможно только при своевременной и непрерывной информации о качестве целевого продукта.

1. Исходные данные для расчета

Заданная производительность печи G=16 т/час. Состав обрабатываемого боксита приведен в табл. 1. Влажность боксита составляет 10 %. Состав используемого в процессе спекания известняка приведен в табл. 2. Содержание Na₂CO₃ в соде составляет 98 %. Содержание Al₂O₃ в товарном глиноземе равно 98,8 %. Товарный выход глинозема из боксита составляет 80 %.

Таблица 1.

Состав боксита, %

Al2O3	SiO2	Fe2O3	CaO	TiO2	П.П.П.	Прочие
51,9	4,2	23,0	4,0	1,7	14,4	0,8
П.П.П. - потери при прокаливании

Таблица 2.

Состав известняка, %

CaO	SiO2	П.П.П.	прочие
51,1	1,7	46,1	1,1

Таблица 3.

Химический состав природного газа, %

CH4с.г.	C2H6с.г.	C3H8с.г.	C4H10с.г.	N2с.г.	CO2с.г.
94,7	1,2	0,5	0,3	2,9	0,4

Влагосодержание 1м³ сухого газа равно g^с.г.=10,3 г/м³.

Подогрев воздуха, подаваемого на горение, осуществляют в барабанном или рекуперативном холодильнике (выбрать самостоятельно). Температура подогрева воздуха t_в=200?С и коэффициент избытка воздуха б=1,08.

2. Расчет минералогического состава боксита

В соответствии с данными минералогических исследований сухого боксита можно принять:

· Al₂O₃ содержится в бемите и диаспоре в виде Al₂O₃, а также в каолините в виде Al₂O₃2SiO₂2H₂O;

· Кремнезем SiO₂ находится в каолините (80%) и кварце;

· Железо находится в гематите Fe₂O₃ и гидрогематите Fe₂O₃H₂O;

· Титан содержится в рутиле TiO₂;

· Оксид кальция CaO в известняке CaСO₃.

Количество каолинита можно рассчитать по содержанию в нем кремнезема. Общее количество кремнезема в 100 кг боксита равно 4,2 кг. (см. табл. 1.), причем 80% его содержится в каолините, т.е. 4,20,8=3,36 кг.

Дальнейшие расчеты необходимо вести, используя массовые соотношения отдельных компонентов в каолините Al₂O₃2SiO₂2H₂O. Справочные данные по атомным массам некоторых химических элементов сведены в табл. 4.

Таблица 4.

Атомные массы некоторых химических элементов

Химический элемент	Атомная масса	Химический элемент	Атомная масса	Химический элемент	Атомная масса
Водород Кислород Углерод Натрий	1 12 16 23	Алюминий Кремний Фосфор Сера	27 28 31 32	Калий Кальций Титан Железо	39 40 48 56

Молекулярная масса каолинита равна

(272)+(163)+2(28+32)+2(2+16)=258.

Молекулярная масса кремнезема равна 60, но в каолините содержится две молекулы SiO₂, масса которых равна 120. Следовательно, 3,36 кг кремнезема содержатся в

кг каолинита

В каолините количество Al₂O₃, молекулярная масса которого равна 102, составит

кг.

Количество воды, молекулярная масса которой в каолините равна 2(2+16)=36, составит

кг.

Общее количество Al₂O₃ в 100 кг боксита равно 51,9 (см. табл. 1). Его содержание в диаспоре и бемите составит

51,9-3,36=48,54 кг.

Количество диаспора и бемита (Al₂O₃H₂O), имеющих молекулярную массу 120, можно определить по количеству содержащегося в них Al₂O₃:

кг.

Количество в них воды определяют как разницу

57,11-48,54=8,57 кг.

Таблица 5.

Минеральный состав сухого боксита, %

Соединения	Всего	Al2O3	SiO2	H2O	Fe2O3	TiO2	CaO	CO2	Прочие
Al2O3H2О Al2O32SiO22H2 SiO2 Fe2O3 Fe2O33H2О TiO2 CaСO3 Прочие Итого	57,11 7,22 1,35 18,02 6,66 1,7 7,14 0,8 100	48,54 3,36 - - - - - - 51,9	- 2,85 1,35 - - - - - 4,2	8,57 1,01 - - 1,68 - - - 11,2	18,02 4,98 - - - - - - 23	- - - - - 1,7 - - 1,7	- - - - - - 4,0 - 4,0	- - - - - - 3,14 - 3,14	- - - - - - - 0,8 0,8

По содержанию в боксите CaO (молекулярная масса равна 56) можно рассчитать количество CaСO₃ (молекулярная масса - 100):

кг.

Количество CO₂ в CaСO₃ равно

7,14 - 4,0=3,14 кг.

В процессе спекания боксит теряет эту углекислоту (3,14 кг), а также влагу, содержащуюся в каолините (1,01 кг), диаспоре и бемите (8,57 кг) и гидрогематите, количество которой можно рассчитать, зная величину потерь при прокаливании (табл. 1):

14,4 - (1,01+8,57+3,14)=1,68 кг.

Количество гидрогематита (Fe₂O₃3H₂О) с молекулярной массой 214 определяют по содержанию в нем влаги (молекулярная масса 318=54):

кг.

Количество оксида железа в гидрогематите равно

6,66 - 1,68=4,98 кг.

Следовательно, количество гематита в боксите составит:

23 - 4,95=18,02 кг.

Результаты расчетов сухого боксита представлены в табл. 5.

Аналогично определяем минералогический состав известняка.

В 100 кг известняка (см. табл. 2) содержится 50 кг CaО, имеющего молекулярную массу 56. Тогда количество известняка (молекулярная масса 100) составит

кг.

Содержание CO₂ (молекулярная масса 44) в известняке равно

кг.

Количество воды в известняке определяют по разнице между общей массой (100 кг) и суммой других компонентов в нем:

100 - (91,25+1,7+1,1)=5,95 кг.

Результаты расчета минералогического состава известняка сведены в табл. 6.

Таблица 6.

Минералогический состав известняка, %

Соединения	Всего	CaO	CO2	SiO2	H2О	Прочие
CaСO3 SiO2 H2О Прочие Итого	91,25 1,7 5,95 1,1 100	51,1 - - - 51,1	40,15 - - - 40,15	- 1,7 - - 1,7	- - 5,95 - 5,95	- - - 1,1 1,1

3. РАСЧЕТ ШИХТЫ

Шихта состоит из боксита, известняка, кальцинированной соды и оборотного раствора.

Расчет шихты производят по упрощенной методике на 100 кг сухого боксита. При этом состав оборотных продуктов принимаем, исходя из состава бокситов и данных заводской практики.

Для обеспечения полноты протекания кристаллохимических преобразований при формировании шихты необходимо соблюдать следующие требования:

Для того, чтобы рассчитать количество компонентов, участвующих в процессе спекания (СaO, SiO₂, Nа₂О, Al₂O₃, Fe₂O₃), необходимо проссумировать содержание каждого из них во всех составляющих шихты (боксите, кальцинированной соде, известняке и оборотном растворе).

В соответствии с технологией спекания для формирования исходной шихты используется оборотный содовый раствор, получаемый после выщелачивания спеков, отделения красного шлама и частичного выпаривания. Техническое его название - белый шлам. Исходя из данных заводской практики, принимаем следующий состав белого шлама, % 25,0 Al₂O₃; 20,0 SiO₂; 23,0 Nа₂О; 9,0 H₂O_связ.; 23,0 H₂O_вн.

Из данных практики, извлечение SiO₂ в белый шлам из спека составляет 10…15%. Остальные 85…90% кремнезема переходят в красный шлам при выщелачивании. Примем извлечение SiO₂ в белый шлам равным 13%.

При условии, что примерный расход известняка на 100 кг боксита, содержащего 4,2% SiO₂ (см. табл. 1), составляет 42 кг с содержанием 1,7 % SiO₂ (см. табл. 2), общее количество кремнезема в твердых составляющих исходной шихты равно 4,2+420,017=4,914 кг. Тогда общее количество SiO₂ в белом шламе равно

кг.

Количество белого шлама, с учетом содержания в нем 20 % SiO₂, составит

кг.

Результаты расчетов состава и количества белого шлама сведены в табл. 7.

Таблица 7. Состав и количество белого шлама

	Всего	Al2O3	SiO2	Nа2О	H2Oсвяз	H2Oвн
Содержание, % Количество, кг.	100 3,194	25 0,799	20 0,639	23 0,735	9 0,287	23 0,735

С учетом количества SiO2, поступающего с белым шламом, исходная шихта содержит условно свободный SiO2 в количестве 4,2+0,639=4,839 кг. Условно свободный СаО (молекулярная масса 40+16=56) в боксите при спекании образует двухкальциевый силикат 2СаОSiO2, связывая SiO2 (молекулярная масса 60) в количестве

кг.

Оставшееся количество SiO2, которое необходимо связать оксидом кальция равно

4,839 - 2,143=2,696 кг.

Составим пропорцию, приняв потребное количество известняка X с учетом его минералогического состава (0,017Х кремнезема и 0,511Х СаО, см. табл. 6):

Решая уравнение, получим Х=10,50 кг.

Состав и количество известняка, входящего в шихту спекания, представлены в табл. 8.

Таблица 8.

Состав и количество известняка в шихте

	Всего	CaO	CO2	SiO2	H2О	Прочие
Содержание, % Количество, кг.	100 10,5	51,1 5,365	40,15 4,216	1,7 0,179	5,95 0,625	1,1 0,116

Для определения количества оборотного раствора и свежей соды, добавляемой в шихту, используем практические данные по составу оборотного раствора, г/л: 12,0 Al₂O₃; 210 Na₂O; 130 CО₂; 1985 H₂O. Удельная плотность такого раствора составляет 1,337 г/л.

Исходя из практических данных, общее суммарное извлечение Na₂O при выщелачивании, обескремнивании и карбонизации примем равным 85%.

Теперь определим количество оксида натрия Na₂O, необходимого для осуществления процесса спекания. Учтем:

· Количество Al₂O₃ в шихте из боксита (табл. 5) и оборотного раствора (см. табл. 7) равно

·

51,9+0,799=52,699 кг.

· Количество Fe₂O₃ в шихте из боксита составляет 23,0 кг.

· Количество ТiO₂ в шихте из боксита составляет 1,7 кг.

Тогда потребное количество Na₂O (молекулярная масса 62) составит:

· Для получения Na₂OAl₂O₃ через Al₂O₃(молекулярная масса 102)

·

кг.

· Для получения метаферрита натрия Na₂OFe₂O₃ через Fe₂O₃ (молекулярная масса 160)

кг.

· Для получения титаната натрия Na₂OTiO₂ через TiO₂ (молекулярная масса 80)

кг.

Всего количество Na₂O в шихте должно быть равно

8,91+1,318+32,03=42,26 кг.

С учетом того, что в оборотном растворе часть Na₂O уже связана в метаалюминат с 12,0 % Al₂O₃, количество несвязанного Na₂O составит

кг.

Исходя из практических данных, примем степень извлечения Na2O в раствор 85%. Тогда его количество, поступающего с оборотным раствором на формирование шихты, составит 42,260,85=35,921 кг.

Количество оборотного раствора с учетом концентрации Na2O в нем равно 0,21 кг/л равно

л.

При плотности раствора 1,337 кг/л его масса составит 145,3951,337=194,392 кг.

В растворе присутствует метаалюминат натрия в количестве

210 - 202,7=7,3 г/л Na₂O общей массой 7,3145,395=1061,384 г=1,061 кг.

Тогда с оборотным раствором будет подано свободной Na₂O в количестве

35,921 - 1,061=34,86 кг.

Состав и количество оборотного маточного раствора представим в табл. 9.

Таблица 9.

Состав и количество оборотного раствора

	Всего	Al2O3	Na2O	CO2	H2О
Содержание, г/л Содержание, % Количество, кг.	1337 100 194,392 (145,392)	12,0 0,9 1,75	210 15,7 30,52	130 9,8 19,05	985 73,6 143,07

Дополнительно в шихту необходимо ввести 42,26 - 34,86=7,4 кг. Na2O. Если учесть, что молекулярная масса Na2O составляет 62, а соды Na2CO3 - 106, то дополнительно следует подать кг кальцинированной соды или

7,4 - 4,328=3,07 кг Na₂O.

При наличии в ней до 2 % примесей (исходные данные) ее количество составит кг. Расчетный состав и количество соды приведены в табл. 10.

Таблица 10.

Состав и количество кальцинированной соды

	Всего	Na2O	CO2	Прочие
Содержание, % Количество, кг.	100 4,416	69,52 3,07	28,48 1,258	1,99 0,088

4,328 - 3,07=1,258

Определяем концентрацию оборотного раствора для обеспечения пониженной влажности шихты, значение которой из практических данных принимаем равным 36 %.

Таблица 11.

Состав и количество оборотного раствора после выпаривания

	Всего	Al2O3	Na2O	CO2	H2О
Содержание, г/л Содержание, % Количество, кг.	1628 100 134,34	21,21 1,3 1,75	369,86 22,72 30,52	230,86 14,18 19,05	1006,1 61,8 83,02

143,07 - 60,05=83,02

Общая масса шихты, состоящей из боксита влажностью 10 %, белого шлама, известняка, оборотного раствора и соды, равна

1001,1 + 3,194 + 10,5 + 194,392 + 4,116 = 322,202 кг.

При этом количество внешней влаги в шихте равно 10 + 0,735 + +0,625+143,07 =154,43 кг.

Количество влаги, которое должно быть в шихте, составит 322,2020,36= =115,993 кг.

Следовательно, оборотный раствор перед поступлением на шихтовку должен пройти обработку выпариванием. Определим количество воды, которое подлежит выпариванию.

Если обозначим необходимое количество влаги в шихте X, тогда

отсюда X = 94,38 кг и подлежит выпариванию 154,43 - 94,38=60,05 кг воды.

Состав и количество оборотного раствора после выпаривания представлены в табл. 11.

На основании результатов расчетов составляют полный состав шихты для спекания (табл. 12).

Таблица 12.

Состав шихты для спекания бокситов

Состав	Всего Кг %	Al2O3	SiO2	Fe2O3	TiO2	CaO	CO2	Nа2О	H2Oсв	H2Oвн	Прочие
Боксит (вл) Известняк Белый шлам Оборотн. раствор Сода кальцини- рованная Итого	110 10,5 3,194 194,392 4,416 322,5	34,32 3,28 0,37 60,65 1,38 100	51,9 - 0,799 1,75 - 54,45	4,2 0,179 0,639 - - 5,0	23,0 - - - - 23,0	1,7 - - - - 1,7	4 5,365 - - - 9,365	3,14 4,216 - 19,05 1,26 27,66	- - 0,735 30,52 3,07 34,33	11,26 - 0,287 - - 11,55	10 0,8 0,625 143,07 - 154,43	0,8 0,116 - - 0,088 1,004

31

4. Расчет конечных продуктов

В основе расчетов лежат следующие допущения:

1. Из шихты в спек переходят все компоненты за исключением СО₂; и Н₂О, которые полностью переходят в газы.

2. Часть шихты переходит в пыль. Состав пыли близок к составу исходной шихты с учетом ее обезвоживания.

3. Пыль является оборотным продуктом, и ее полностью возвращают в агрегат.

Для упрощения расчетов принимаем, что пылеунос из рабочего пространства печи составляет 20 % от массы сухой шихты. Определим количество пыли, находящейся в обороте при непрерывном режиме работы агрегата.

В первый цикл из исходных материалов (322,5 - 154,43)=168,07 кг будет унесено в пыль 168,070,2=33,6 кг.

Во втором цикле загрузки в пыль перейдет (168,07+33,6)0,2=40,33 кг.

При третьем цикле - (168,07+40,33)0,2=41,68 кг, а при четвертом - (168,07+41,68)0,2=41,95 кг.

Принимаем, что в обороте присутствует 41,95 кг пыли.

Результаты расчетов состава спека, пыли и отходящих технологических газов сведены в табл. 13, табл. 14, табл. 15.

Произведем расчет рационального состава спека.

Количество Na₂OAl₂O₃ в спеке, имеющего молекулярную массу 164, с учетом содержания Al₂O₃ (см. табл. 12) молекулярной массой 102, составит кг. Тогда количество Na₂O в этом соединении равно

87,55 -54,45=33,1 кг.

* Количество Na₂О Fe₂O₃ в спеке, имеющего молекулярную массу 222, с учетом содержания Fe₂O₃ (см. табл. 12) молекулярной массой 160, равно кг. Тогда количество Na₂О в соединении составит

31,91-23=8,91кг.

* Количество Na₂OTiO₂ в спеке, имеющего молекулярную массу 142, с учетом содержания TiO₂ молекулярной массой 80, равно

кг. Тогда количество Na₂O в этом соединении составит

3,01 - 1,7=1,32 кг.

Всего Na₂O в этих соединениях составляет 33,1+8,91+1,32=43,33 кг.

* Количество 2СаО SiO₂ в спеке, имеющего молекулярную массу 172, с учетом содержания кремнезема (см. табл. 12) молекулярнои массой 112, равно

кг. Тогда количество SiO₂ в этом соединении составляет

14,38 - 9,365=5,02 кг.

Результаты расчетов сведены в табл. 16.

Полный материальный баланс процесса спекания без учета процесса горения топлива представлен в табл. 17.

Таблица 13.

Состав и количество спека

	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	Na2O	Проч.
Количество, кг Содержание, %	128,8 100	54,45 42,27	23 17,86	5,0 3,88	1,7 1,32	9,365 7,27	34,33 26,65	1,004 0,7

Таблица 14.

Состав и количество пыли

	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	СО2	Na2O	Проч.
Количество спека с учетом обезвоживания Количество пыли, кг Содержание,%	156,5 41,95 100	54,45 14,59 34,79	23 6,17 14,7	5 1,34 3,19	1,7 0,46 1,09	9,365 2,51 5,98	27,66 7,41 17,67	34,33 9,2 21,94	1,004 0,27 0,64

Таблица 15.

Состав и количество технологических газов

	Всего	СО2	Н2О
Количество, кг	193,64	27,66	165,98
Объем, м3	220,63	14,08	206,55
Состав:
% вес	100,00	14,28	85,72
% объемн.	100,00	6,38	93,62

Таблица 16.

Рациональный состав спека, кг

Соединения	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	Na2O	Прочие
Na2ОАl2O3	87,55	54,45	-	-	-	-	33,1	-
Na2О Fe2O3	31,91	-	23	-	-	-	8,91	-
Na2ОТiО2	3,01	-	-	-	1,7	-	1,32	-
CaO SiO2	14,38	-	-	5,02	-	9,365	-	-
Прочие	1,004	-	-	-	-	-	-	1,004
Итого	137,85	54,45	23	5,02	1,7	9,365	43,33	1,004

Таблица 17.

Материальный баланс процесса спекания (без учета процесса горения топлива)

№	Материалы и продукты	Всего Кг %	Аl2O3	SiO2	Fe2O3	ТiО2	CaO	СО2	Na2O	H2Oсвяз	H2Oвн	Прочие
Поступило
1 2 3 4 5	Боксит влажный Известняк Белый шлам Оборотный раствор Сода кальциниров. Итого	110 10,5 3,194 194,39 4,416 322,5	34,32 3,28 0,37 60,65 1,38 100	51,9 - 0,799 1,75 - 54,45	4,2 0,179 0,639 - - 5,0	23 - - - - 23	1,7 - - - - 1,7	4 5,365 - - - 9,365	3,14 4,216 - 19,05 1,26 27,66	- - 0,735 30,52 3,07 34,33	11,26 - 0,287 - - 11,55	10 0,8 0,625 143,07 - 154,43	0,8 0,116 - - 0,088 1,004
Поступило
1 2 3	Спек Пыль Газы Невязка Итого	128,8 41,95 193,64 -41,95 322,5	39,94 13,01 60,41 -12,99 100	54,45 14,59 - -14,59 54,45	5,0 1,34 - -1,34 5,0	23 6,17 - -6,17 23	1,7 0,46 - -0,46 1,7	9,365 2,51 - -2,51 9,365	- 7,32 27,66 -7,32 27,66	34,33 9,2 - -9,2 34,33	- - 165,98 - 165,98	- - - - -	1,004 0,27 - -0,27 1,004

5. Расчет горения топлива

Принимаем, что при сжигании природного газа во вращающейся печи используют горелочное устройство с частичным перемешиванием. Поэтому коэффициент расхода воздуха =1,08, а величина химического недожога составляет q₃/Q_н^р=2%. При влажности газа g^с.г.=10,3 г/м³ содержание водяных паров в газе равно:

%

%

Пересчитаем состав природного газа с учетом того, что в нем содержится 1,266 % водяных паров, в который входит CH₄^с.г., C₂H₆^с.г., C₃H₈^с.г., C₄H₁₀^с.г., N₂^с.г., CO₂^с.г..

, %

%

%

%

%

%

%

Определим количество чистого кислорода для сжигания кубометра топлива

V_O2=0,01[(m+n/4)C_mH_n], м³/кг.

V_O2=0,01[293,5+31,185+50,494+6,50,296]=1,949 кг/м³.

Определим теоретический расход воздуха на горение

L₀=(1+k)V_O2, м³/м³, k=const=3,76;

L₀=(1+3,76)1,949=9,277 м³/м³.

Определим действительный расход воздуха на горение

L=L₀, м³/м³;

L=9,2771,08=10,019 м³/м³.

Найдем объемы отдельных составляющих продуктов сгорания

V^CO2=0,01[ CO₂^в.г.+m C_mH_n^в.г.], м³/м³;

V^CO2=0,01[ 0,395+93,50+21,185+30,494+40,296]=0,989 м³/м³;

V^H2O=0,01[ H₂O^в.г.+n/2 C_mH_n^в.г.], м³/м³;

V^H2O=0,01[293,5+31,185+40,494+50,296]=1,94 м³/м³;

V^N2=0,01 N₂^в.г.+k V_O2, м³/м³;

V^N2=0,012,863+3,761,9491,08=7,943 м³/м³.

V^О2_изб.=(-1) V_O2, м³/м³;

V^О2_изб.=(1,08-1)1,949=0,156 м³/м³.

Тогда суммарный выход сгорания продуктов при =1,08 будет равен

V= V^CO2 +V^H2O +V^N2 +V^О2_изб.=0,989+1,94+7,943+0,156=11,028 м³/м³.

Состав продуктов сгорания равен

Определим низшую теплоту сгорания газов

Q_н^р= 358CH₄^с.г.+636C₂H₆^с.г.+913C₃H₈^с.г.+1185C₄H₁₀^с.г., кДж/м³;

Q_н^р= 35893,50+6361,185+9130,494+11850,296=35028,4 кДж/м³.

Химическую энтальпию продуктов сгорания с учетом химического недожога вычисляем по выражению

, кДж/м³;

кДж/м³;

Содержание воздуха в продуктах сгорания равно

,%

Тогда по "i-t" - диаграмме теоретическая температура горения природного газа составляет t^т = 1890 °С. Действительная температура горения при пирометрическом коэффициенте _пир=0,8 равна t_д=0,81890=1512 °С.

6. Определение основных размеров печи

1. Диаметр барабанной печи, м определяем из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи

.

При принятом пылевыносе из печи 20 % средняя скорость газов должна быть умеренной. Принимаем ее равной 5 м/с.

Производительность печи по спеку составляет 16 т/ч , а по бокситу равна

т/час

где m_сп - выход спека из боксита (см. табл. 13).

Среднее время пребывания шихты в печи может быть определено как

=1/G_сп=1/12,422=0,081 ч.

Объем газообразных продуктов горения топлива определяем из выражения

V_д=qVm_cп/Q_н^р

где q - удельный расход теплоты на 1 т спека. По опытным данным можно принять равным 5860 кДж/кг.

Тогда м³.

Общее количество отходящих газов из печи равно сумме продуктов сгорания и технологических газов (см. табл. 15) и составляет

V=V_Д+V_H2O+V_CO2, м³.

В соответствии с данными материального баланса процесса спекания (см. табл. 17)

V=м³.

где 0,804 и 1,97 - плотность соответственно Н₂О и СО₂, кг/м³.

Расход отходящих газов с учетом среднего времени пребывания материалов в печи составит

м³/с.

С учетом средней температуры газов в печи С общий расход отходящих газов составляет

м³/с.

Тогда в соответствии с формулой (1)м.

Принимаем D = 5 м.

При использовании двухслойной футеровки, состоящей из высокоглиноземистого кирпича размером 250 мм и слоя тепловой изоляции 30 мм при толщине стенки кожуха 20 мм, наружный диаметр печи будет равен D_печи=5+0,252+0,032+0,022=5,6 м.

Длину зоны сушки рассчитываем в соответствии с выражением

Производительность печи по шихте составляет

G_ш=т/час.

Исходную влажность шихты определяем по данным материального баланса (см. табл. 17)

,

а величину конечной влажности принимаем W"=0.

С учетом способа загрузки (распыл) напряжение рабочего пространства сушильной зоны по влаге принимаем равным 0,08 т/(м²ч). Таким образом, длина зоны сушки составляет

м.

Определяем длину зоны подогрева по формуле:

В этой зоне удаляют связанную воду; шихту подогревают до температуры 750 °С. Температуру газов на входе в зону принимаем равной 1250 °С. Унос материала из зоны равен 25 % от общего пылеуноса. Тогда теплоту, поступающую в зону подогрева, затрачивают:

* на нагрев шихты до 750 °С

0,96(322,5- 165,98 - 41,950,25)(750 - 150)=84114,72 кДж=84,114МДж

где 0,96 - теплоемкость шихты, кДж/(кг * К);

* на испарение влаги и нагрев паров воды

11,55(2257+)=36945 кДж=39,645 МДж

где 0,3764,1868 - теплоемкость паров воды, кДж/(мольК);

2257 - удельная теплота испарения воды, кДж/кг;

* на подогрев пыли до 750 °С

0,9641,950,25(750 - 150)=6040,8 кДж=6,041 МДж;

* на разложение гидроксида алюминия диаспора и бемита по реакции

2Аl(ОН)_з = Аl₂О_з + ЗН₂О - 2580 кДж

57,112580 = 147343,8 кДж=147,343 МДж;

* на разложение каолинита по реакции

Al₂O₃2SiO₂2H₂O= Al₂O₃2SiO₂+2H₂O - 934 кДж

7,22934 = 6743,48 кДж=6,743 МДж;

* на разложение гидрогематита по реакции

Fe₂O₃ 3H₂O= Fe₂O₃+3H₂O - 3840 кДж

6,66·3840= 25574,4 кДж= 5,574МДж.

Тепловой эффект обезвоживания алюмосиликатов принимаем по выражению

;

где m_1p, m_2p, m_Fe - расходы гиббсита, каолинита и гидроксида железа; M_1p^H2O, M_2p^H2O,M_Fe^H2O - молекулярные массы гибсита, каолинита и гидроксида железа; t_1p, t_2p, t_Fe - температуры протекания соответствующих реакций: 750 -температура газов, выходящих из зоны подогрева. В соответствии со справочными данными устанавливаем t_1p=550°С; t_2p=450°С; t_Fe=400°С. Тогда

14358,64 кДж=14,359 МДж.

В итоге теплопотребление в зоне подогрева составит

Qп=84114,72+39645,01+6040,8+147343,8+6743,48+25574,4+14358,64=

=323820,85 кДж=323,8 МДж

Ширину слоя (хорда l_х) 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 подогрева 82,5°. Тогда

lx=Dпsinб/2=5?sin(82,5/2)=3,296 м.

Lq=рDпsinб/360=3,14?5?82,5/360=3,598 м.

Эффективную длину лучей газового потока определяем по формуле

где S_пер.- периметр свободного сечения печи, м.

S_nep==

=

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

Тогда м.

Определим состав газов по зонам.

Согласно данным расчета процесса горения топлива, в продуктах сгорания 100 м³ газа присутствует 98,9 м³ СО₂; 194 м³ Н₂О; 794,3 м³ N₂; 15,6 м³ О₂. Для зоны спекания состав газов соответствует составу продуктов сгорания топлива,

т. е. СО₂=8,968 %; Н₂О=17,592 %; N₂=72,026 %; О₂=1,415 %.

В зоне кальцинации полностью разлагаются карбонаты. Тогда объем газов от горения топлива при его расходе 25 % от веса сухого боксита (практические данные) составит 1102,8?0,25=275,7 м³.

С учетом объема СО₂, выделившегося при разложении карбонатов (см. табл. 15) в количестве 14,08 м³, общий объем газов в зоне кальцинации составит 14,08+275,7=289,78 м³. Средний объем газов в зоне кальцинации равен 275,7+0,5?14,08=282,74 м³. Тогда состав газов в зоне кальцинации будет следующим:

%;

%;

%

%

В зоне подогрева в газовую фазу переходит 11,55 кг Н₂О из исходной шихты, или 11,55?22,4/18=14,37 м³.

Общий объем газов в конце зоны подогрева составит 282,74+14,37=297,11м³.

Средний объем газов равен 282,74+0,5?14,37=289,925 м³.

Содержание компонентов в газах зоны подогрева равно

%;

%;

%;

%

В зоне сушки в газовую фазу переходит из шихты внешняя влага в количестве 154,6 кг, или 154,6?22,4/18=192,391 м³. Общий объем газов в конце зоны равен объему отходящих газов, т.е. 192,391+297,11=489,504 м³. Средний объем газов в зоне составляет 192,391?0,5+297,11=393,31 м³. Тогда состав газов в зоне сушки таков:

%;

%;

%;

%

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,

?С

Степень черноты СО₂ и Н₂О находим по графикам

При P_СО2S_эф =0,1338?7,74?101,325=101,27 кПа?м

t_Г=960°C; е_CO2=0,2

Р_H2OS_эф=0,1921?7,47?101,325=145,4 кПа?м;

t_Г=960°С; еґ_H2O=0,35; е_H2O=1,8?0,35=0,63;

е_Г=0,2+0,63=0,83.

Степень развития кладки в зоне подогрева составляет

Вт/(м²?К⁴).

Определяем величину теплового потока излучением:

Вт/м².

Средняя скорость движения газов в зоне подогрева равна

м/с;

тогда конвективный тепловой поток составит величину

q_k=10,476?0,87(960-450)=4648,2 Вт/м².

Средняя температура кладки составит t_k=(960+273)/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 температуpa кладки в зоне составляет

t_к=(1320+875)/2=1100 °С.

Состав газов в зоне кальцинации (в соответствии с предыдущими расчетами): 11,23% СО₂; 17,15% 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 шихты (спека) до 1000 °С

0,88?128,8?(1000-750)?16=453376 кДж=453,4 МДж,

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

* подогрев пыли до 1250 °С

096?41,95?(1250-750)?16=322176 кДж=322,2 МДж,

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

* нагрев технологических газов (СО₂) до 1250 °С

2,202?14,37?(1250-750)?16=253141,9 кДж=253,14 МДж;

* разложение карбонатов. При этом количество СаСО₃ (молекулярная масса - 100) в шихте (в известняке и боксите) (табл. 17) через СаО (молекулярная масса - 56) равно

Тогда в соответствии с уравнением