Станция обжига известняка в вертикальных печах в производстве кальцинированной соды

По оси улиты расположен полый вал 7, предохраняемый сверху от попадания извести колпаком 6. По этому валу под колпак подаётся воздух. Для подачи воздуха имеется специальный вентилятор, способный преодолевать сопротивление шихты 220 - 370 мм вод. ст. Наличие внизу давления нагнетаемого воздуха заставляет герметизировать весь выгрузной механизм, для чего низ печи закрыт кожухом 8.

Газ из печи отсасывается вверху шахты в общий коллектор 6, проходящий вдоль всех печей, откуда поступает на охлаждение и очистку от пыли. Каждая печь имеет выхлопной газоход в атмосферу, через который отводится избыток газа, а также газ, отсасываемый из загрузочного бункера.

3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

обжиг известняк печь шахтный

В производстве кальцинированной соды отходами являются: меловая или известняковая мелочь, получаемая при добыче карбонатного сырья, отбросы после гашения извести и приготовления известкового молока и дистиллерная жидкость.

Меловая и известняковая мелочь, образующаяся при добыче карбонатного сырья, может быть использована для получения извести, производства цемента и строительных материалов, а также для других целей. Из меловой мелочи приготовляют молотый мел, применяемый в строительстве.

При выработке каждой тонны соды получается около 8 м³ дистиллерной жидкости, представляющей собой раствор хлористого кальция и хлористого натрия, загрязненный различными примесями (углекислый кальций, гипс, гашеная известь, песок и др.).

В производстве кальцинированной соды отбросная дистиллерная жидкость накапливается в специальных хранилищах, называемых «белыми морями» и представляющих обвалованные участки площадью 100 и больше гектаров.

Наряду с уменьшением количества отбросной жидкости и путем максимального увеличения коэффициента использования натрия отходы содового производства можно утилизировать следующим образом: получать азотные удобрения и хлористый кальций в виде товарного продукта. При выработке хлористого кальция из отбросной жидкости одновременно получается и поваренная соль, которая может быть использована как товарный продукт или как сырье в производстве соды.

Отходами производства гашеной извести являются углекислый газ (СО₂), окись углерода (СО) и известковая пыль. Особое внимание, в частности, необходимо уделять предотвращению появления в помещениях углекислого газа (СО₂), окиси углерода (СО) и известковой пыли. Повышенная опасность отравления углекислым газом и окисью углерода имеется на загрузочной площадке шахтных и вращающихся печей. Поэтому сырье загружают только с помощью механизмов (скиповых, шахтных и других подъемников), не требующих присутствия на загрузочной площадке людей.

Пыль, содержащая гашеную и особенно негашеную известь, раздражающе действует на органы дыхания, слизистые оболочки и влажную кожу. Поэтому необходимо в местах выделения известковой пыли устраивать отсосы, оборудовать помольные агрегаты эффективными обеспыливающими устройствами, а весь транспорт и бункера герметически закрывать кожухами, крышками и т. д. Известняковая мелочь, образующаяся при добыче карбонатного сырья, может быть использована для получения извести, производства цемента и строительных материалов, а также для других целей. Из меловой мелочи приготовляют молотый мел, применяемый в строительстве.

Таким образом, проблеме ликвидации отходов в производстве соды уделяется большое внимание.

3.6 Технологические расчеты

Исходные данные:

Производительность Q= 210 тонн известняка/сутки =8750 кг/ч известняка

Состав известняка (в %):

CaCO₃ - 92,5

MgCO₃ - 1,5

H₂O - 1,5

Примеси 4,5 (SiO₂ : Аl₂O₃ : Fе₂O₃ = 1,2 : 0,8 : 1,0)

Состав кокса (в %)

C 89,0

Зола 8,0

H₂O 3,0

Коэффициент избытка кислорода б 1,06

Обогащение кислорода до 29 об. %

Степень обжига известняка (%) 93 [2, с.38]

Неполнота сгорания углерода кокса (в %) 1,1 [2]

Относительная влажность воздуха (в %) 75 [4,приложение III, с.478]

Температура поступающего воздуха (в ^оС) 16 [4,приложение III, с.478]

Температура отходящих газов (в ^оС) 112

Температура выгружаемой извести (в ^оС) 50 [1]

Температура поступающего известняка (в ^оС) 16

Температура поступающего кокса (в ^оС) 16

Состав воздуха (в % масс.):

О₂ 23,1

N₂ + инертные газы 76,9

3.6.1 Расчет материального баланса

I) Горение топлива (в расчете на 1,00 кг кокса)

1. Расчет массы веществ в коксе определяем по формуле

W_В = m_В*100% / m _кокса

m_В = W_В* m_изв /100%,

где W_В - массовый процент вещества в коксе, %;

m_В - масса вещества, кг;

m _кокса - масса кокса, кг.

m_В = W_В* m_изв /100%

1,00 кг кокса содержит (в кг):

m_С = 89*1 / 100 = 0,89 кг С в коксе

m _золы = 8*1 / 100 = 0,08 кг золы

m_H2O = 3*1/ 100 =0,03 кг H₂О

Итого кокса: 1,00 кг

2. Масса сгоревшего углерода с учетом степени сгорания составляет

m_{С сгор..} = m_С * ? _{обжига,}

где m_С - масса углерода в коксе, кг;

? _обжига - степень сгорания кокса ,%.

m_{С сгор.} = 0,89*0,989 = 0,88021 кг С _сгор.

3. Для того, чтобы узнать сколько сгорает углерода до СО и СО₂ необходимо определить соотношение СО : СО₂ в газах по константе равновесия реакции Будуара

2 СО + О₂ =2 СО₂ или СО + Ѕ О₂ = СО₂ (3.6.1.)

Для этой реакции константа равновесия запишется (через активности компонентов):

К_р= а _СО2 / а _СО * (а _О2)^1/2 или через парциальные давления компонентов

К_р= Р _СО2 / Р _СО * (Р _О2)^1/2

К_р в зависимости от температуры имеет следующий вид:

Lg К_р =( 29791/Т ) + (0,169*10^-3*Т) - (0,324*10⁵/ Т²) - 9,495, [6, таблица 41, с.64]

где Т- температура в Кельвинах.

Рассмотрим температуру в диапазоне 1200- 1250⁰С или 1473-1523 К (поскольку температура в зоне обжига составляет 1250⁰С)

При Т= 1473 К: К_р= 9,19*10¹⁰ или v К_р= 3,03*10⁵

При Т=1498 К: К_р= 4,27*10¹⁰ или v К_р= 2,07*10⁵

При Т= 1523 К: К_р= 2,04*10¹⁰ или v К_р= 1,43*10⁵

Принимаем К_р= 2,04*10¹⁰ или v К_р= 1,43*10⁵ (Т=1523 К или 1250⁰С)

СО + Ѕ О₂ = СО₂

Пусть начальное количество СО и О₂ равны стехиометрическим коэффициентам, то есть n _СО,0 =1 моль, n _О2,0=0,5 моль, n _СО2,0= 0.

Обозначим через б- доля прореагировавшего вещества СО₂, тогда конечные количества СО, О₂ и СО₂ равны ( моль):

n _СО= n _СО,0 - б = 1- б ; n _О2 = n _О2,0 - 0,5* б =0,5-0,5* б= 0,5(1- б) ; n _СО2 = n _СО2,0 + б = б

Общее количество молей равно ? n =1- б + 0,5-0,5* б + б =1,5-0,5* б = 0,5(3- б)

Мольные доли компонентов равны:

N _к = n _к /? n;

принимаем N _к=Р _к (так как идеальная газовая смесь).

Парциальные давления компонентов равны: Р _СО =2* (1- б)/ (3- б); Р _О2=(1- б)/ (3- б); Р _СО2 =2* б/(3- б). Подставляя в К_р и приведя подобные, получим

К_р = б*(3- б)^1/2/(1- б)* (1- б)^1/2; К_р является большой (1,43*10⁵ ) по сравнению с 1, потому это уравнение приводится к кубическому.

Методом подбора принимаем оптимальную б_СО2=0,973, б_СО =1- б_СО2=1-0,973=0,027

4. Масса углерода, сгоревшего до СО₂ с учетом степени б_СО2=0,973 составляет

m_{С .} = m_{С сгор.} * б _СО2,

где m_{С сгор.} - масса сгоревшего углерода, кг;

б _СО2 - степень сгорания углерода до СО₂ ,%.

m_{С .} = 0,88021*0,973 = 0,8564 кг С, сгоревшего до СО₂

5. Масса углерода, сгоревшего до СО с учетом степени б_СО=0,027 составляет

m_{С .} = m_{С сгор.} * б _СО,

где m_{С сгор.} - масса сгоревшего углерода, кг;

б _СО - степень сгорания углерода до СО ,%.

m_{С .} = 0,88021*0,027 = 0,0237 кг С,_. сгоревшего до СО

6. Масса несгоревшего углерода

m_{С несгор..} = m_С * ? _{неполноты сгор.},

где m_С - масса углерода в коксе, кг;

? _{неполноты сгор} - неполнота сгорания углерода ,%.

m_{С сгор.} =1* 0,89*0,011 = 0,0098 кг С _{несгор.}

Итого углерода в коксе 0,8900 кг

7. Количество кислорода, теоретически необходимое для сжигания С до СО₂ по реакции (3.6.2):С + О₂ = СО₂ (3.6.2)

m_О2./ М_О2 = m_С/ М_С

m_О2 = m_С* М_О2 / М_С ,

где m_С - масса углерода, сгоревшего до СО₂, кг;

М_С, М_О2 - молярные массы углерода и кислорода, кг/моль.

m_О2 = 0,8564*32/12=2,2837 кг О₂ (теор.)

Масса теоретического СО₂ по реакции (3.6.2) составляет

m_С./ М_С = m_СО2/ М_СО2

m_СО2 = m_С.* М_СО2/, М_С

где m_С - масса углерода, сгоревшего до СО₂, кг;

М_СО2, М_С - молярные массы СО₂ и углерода, кг/моль.

m_СО2 = 0,8564*44/12 = 3,1401 кг СО₂ (теор.)

8. Количество кислорода, теоретически необходимое для сжигания С до СО по реакции (3.6.3):С + 1/2 О₂ = СО (3.6.3)

m_О2./ М_О2 = m_С/ М_С

m_О2 = m_С* М_О2 / М_С,

где m_С - масса углерода, сгоревшего до СО, кг;

М_С, М_О2 - молярные массы углерода и кислорода, кг/моль.

m_О2 = 0,0237*16/12=0,0316 кг О₂ (теор.)

Масса теоретического СО по реакции (3.6.3) составляет

m_С./ М_С = m_СО/ М_СО

m_СО = m_С* М_СО / М_С,

где m_С - масса углерода, сгоревшего до СО, кг;

М_СО, М_С - молярные массы СО и углерода, кг/моль.

m_СО2 = 0,0237*28/12 = 0,0553 кг СО (теор.)

9.Всего требуется стехиометрического кислорода

?m _О2 = m₁ + m₂

?m _О2 =2,2837+0,0316= 2,3153 кг О₂ (теор.)

10. При коэффициенте избытка воздуха б = 1,06 необходимо ввести кислорода

m _О2 = ?m _О2* б

m _О2 =2,3153*1,06= 2,4542 кг О₂ или в пересчете на нормальные м³ это составит

V_О2 = m _О2 * V _М /М_О2 ,

где m _О2 - масса кислорода, кг;

М_О2 - молярная масса кислорода, кг/моль;

V _М - молярный объем, нм³.

V_О2 = 2,4542*22,4/32 =1,7179 нм³ О_2.

С учетом обогащения воздуха до 29 объемных % масса воздуха составит

V_{воздуха} =V_О2*100/29,

где 29- обогащение воздуха по кислороду.

V_{воздуха} =1,7179*100/29 = 5,9238 нм³ сухого воздуха, обогащенного О_2.

В пересчете на кг масса сухого воздуха составит

m _{воздуха} = 5,9238*(0,29*32+0,71*28)/22,4 = 7,7115 кг сухого воздуха,

где 0,29; 0,71- содержание О₂ и N₂ в воздухе;

32; 28 - молярные массы О₂ и N₂;

22,4 - молярный объем, нм³.

В воздухе содержится:

m _N2 = 5,9238*0,71*28/22,4 = 5,2574 кг N₂ в обогащенном воздухе/ 1 кг кокса

m _О2 = 5,9238*0,29*32/22,4 = 2,4541 кг О₂ в обогащенном воздухе/ 1 кг кокса

Итого сухого воздуха: 7,7115 кг

11. Баланс обогащенного воздуха ( на 1 кг кокса)

В печь поступает воздух, содержащий О₂ (20,9 об. %) и технический О₂ (93 об. %)

Обозначим за х, нм³ - количество технического О₂ , тогда V воздух =( 5,9238-х) нм³. Всего сухого воздуха, обогащенного О₂, V в= 5,9238 нм³ (29 об. % О₂). Составляем уравнение:

(5,9238-х)*0,209 + 0,93*х = 5,9238*0,29; х=0,6655

m _{О2 технич.}=0,6655 нм³ ( в техническом О₂ содержится: О₂= 0,6655*0,93=0,6189 нм³; N₂=0,6655*0,07=0,0466 нм³)

m _{О2 В ВОЗДУХЕ} =5,9238-0,6655=5,2583 нм³ ( в воздухе содержится:

О₂= 5,2583*0,209=1,099 нм³; N₂= 5,2583*0,791=4,1593 нм³).

Итого кислорода: 1,7179 (0,6189+1,099) нм³ или 2,4542 кг

12. При 16^оС и относительной влажности 75% влагосодержание воздуха составляет 0,00899 кг Н₂О на 1 кг сухого воздуха [3, приложение, табл. XIX].

С 7,7115 кг кг сухого воздуха поступает m _{паров воды} = 7,7115*0,00899=0,06933 кг паров воды.

13. В результате сгорания 1 кг кокса получаются следующие количества газообразных продуктов (в кг):

m _СО2 =3,1401 кг СО₂

m _СО = 0,0553 кг СО

m _О2 =(2,4542-2,3153)= 0,1389 кг О₂

m _N2 = 5,2574 кг N₂

m _{H2О (КОКС)} =0,03 кг H₂О в коксе

m _{H2О (ВОЗДУХ)} =0,06933 кг H₂О в воздухе

Итого газообразных продуктов 8,69103 кг/ 1 кг кокса

14. Кроме того остается m_золы = 0,08 кг и m_с = 0,0098 кг,

т.е. масса твердого остатка m_{.тв.ост.} = m_золы + m_с = 0,08+0,0098=0,0898 кг/1 кг кокса.

15. Всего расход продуктов ? m = m _{газ. прод.}+ m_.тв.ост = 8,69103+0,0898 = 8,78083 кг на 1 кг кокса.

II) Обжиг известняка (в расчете на 1000,0 кг/ч известняка).

1. Расчет массы веществ в известняке определяем по формуле

W_В = m_В*100% /m_изв.,

где W_В - массовый процент вещества в известняке, %;

m_В - масса вещества, кг;

m_изв. - масса известняка, кг.

m_В = W_В* m_изв /100%

1000,0 кг известняка содержит (в кг):

m_СаСО3 = 92,5*1000 / 100 = 925 кг СаСO₃

m_MgСО3 = 1,5*1000 / 100 = 15 кг MgСО₃

m_H2O = 1,5*1000 / 100 =15 кг H₂О

m_{примесей} =4,5*1000/100=45 кг примесей

Примеси соотносятся Fе₂О₃ :Аl₂О₃ : SiО₂ =1:0,8:1,2 (в общем 3%); в пересчете на массу это составит

m _Fe2O3 = 45/3= 15 кг Fе₂О₃

m_Al2O3= 15*0,8 = 12 кг Аl₂О₃

m_SiO2 = 15*1,2 = 18 кг SiО₂

2. Масса разложившегося СаСО₃ с учетом степени обжига составляет

m_{СаСО3 разл.} = m_СаСО3 * ? _{обжига,}

где m_СаСО3 - масса известняка, кг;

? _обжига - степень обжига известняка,%.

m_{СаСО3 разл.} = 925*0,93 = 860,25 кг СаСО₃

3. Масса неразложившегося СаСО₃:

m_{СаСО3 неразл.} = m_СаСО3 - m_{СаСО3 разл.}

m_{СаСО3 неразл.} = 925-860,25 = 64,75 кг СаСО_{3 неразл.}

4. По реакции: СаСО₃ = СаО + СО₂ (3.6.4) определяем количество извести (оксида кальция) и углекислого газа [2,с.19]

m_{СаСО3 разл.}/ М_СаСО3 = m_СаО/ М_СаО

m_СаО = m_{СаСО3 разл.}* М_СаО / М_СаСО3,

где m_СаСО3 - масса разложившегося известняка, кг;

m_СаО - масса извести, кг;

М_СаСО3, М_СаО - молярные массы известняка и извести, кг/моль.

m_СаО = 860,25*56 / 100 = 481,74 кг СаО

5. Масса СО₂ по реакции (3.6.4) составит

m_{СаСО3 разл.}/ М_СаСО3 = m_СО2/ М_СО2

m_СО2 = m_{СаСО3 разл.}* М_СО2 / М_СаСО3

где m_СаСО3 - масса разложившегося известняка, кг;

m_СО2 - масса углекислого газа, кг;

М_СаСО3, М_СО2 - молярные массы известняка и углекислого газа , кг/моль.

m_СО2 = 860,25*44 / 100 = 378,51 кг СО₂

6. По реакции : MgСО₃ = MgО + СО₂ (3.6.5) определяем количество оксида магния и углекислого газа [2, с.24]

m_{MgСО3 разл.}/ М_MgСО3 = m_MgО/ М_MgО

m_MgО = m_{MgСО3 разл.}* М_MgО / М_MgСО3,

где m_{MgСО3 разл} - масса разложившегося карбоната магния, кг;

m_MgО - масса оксида магния, кг;

М_MgСО3, М_MgО - молярные массы карбоната магния и оксида магния, кг/моль.

m_MgО = 15*40.3 / 84.3 = 7,17 кг MgО

7. Масса СО₂ по реакции (3.6.5) составит

m_{MgСО3 разл.}/ М_MgСО3 = m_СО2/ М_СО2

m_СО2 = m_{MgСО3 разл.}* М_СО2 / М_MgСО3,

где m_{MgСО3 разл} - масса разложившегося карбоната магния, кг;

m_СО2 - масса углекислого газа, кг;

М_MgСО3, М_СО2 - молярные массы карбоната магния и углекислого газа, кг/моль.

m_СО2 = 15*44 / 84.3 = 7,83 кг СО₂

8. Всего образовалось стехиометрического количества СО₂:

m_СО2 = m_1СО2 + m_2СО2

m_СО2 = 378,51+7,83 =386,34 кг СО₂

На основании приведенного выше материального расчета процесса горения топлива и обжига известняка составляем предварительный тепловой баланс известковой печи. Обозначаем через (х) количество (в кг) топлива необходимого для обжига 1000,0 кг/ч известняка.

Затем составляем материальный баланс и тепловой печи. На 1000,0 кг/ч исходного известняка в полученной извести содержится 0,0098х кг несгоревшего углерода и 0,08х кг золы.

За счет влаги воздуха частично происходит гидратация извести:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ (3.6.6) [2,с.10]

9. Количество образовавшейся гидроокиси кальция определяется содержанием влаги в воздухе:

m_Н2О / М_Н2О = m_Са(ОН)2/ М_Са(ОН)2

m_Са(ОН)2 = m_Н2О* М_Са(ОН)2 / М_Н2О,

где m_Са(ОН)2 - масса гидроокиси кальция, кг;

m_Н2О - масса паров воды, кг;

М_Са(ОН)2 , М_Н2О - молярные массы гидроокиси кальция и воды, кг/моль.

m_Са(ОН)2 = 0,06933х*74 / 18 = 0,2850х кг Са(ОН)₂

11.В этом количестве Са(ОН)₂ содержится оксида кальция:

m_Н2О / М_Н2О = m_СаО/ М_СаО

m_СаО = m_Н2О* М_СаО / М_Н2О,

где m_СаО - масса оксида кальция , кг;

m_Н2О - масса паров воды, кг;

М_СаО , М_Н2О - молярные массы оксида кальция и воды, кг/моль.

m_СаО = 0,06933х*56 / 18 = 0,2157х кг СаО

Состав выходящей из печи извести ( в кг):

СаО 481,74 - 0,2157х

Са(ОН)₂ 0,2850х

MgО 7,17

СаСО_{3 неразл.} 64,75

Fе₂О₃ 15,00

Аl₂О₃ 12,00

SiО₂ 18,00

Зола 0,0800х

С_{несгор.} 0,0098х

Итого: 598,66 +0,1591х

Состав выходящих из печи газов ( в кг)

СО₂ 386,34 + 3,1401х

СО 0,0553х

О₂ 0,1389х

N₂ 5,2574х

Н₂О 15,00 +0,0300х

Итого: 401,34 +8,6217х

3.6.2 Расчет теплового баланса

I. Приход тепла.

Q _{прихода} = Q ^физич _СаСО3 + Q ^физич _С + Q ^физич _воздух + Q_{1реакции} + Q_{2реакции}

1) Физическое тепло известняка (расчет ведем на 1000 кг/ч известняка)

Q ^физич _СаСО3 = (m_СаСО3 - m_Н2О)* C_СаСО3* t _СаСО3 + m_Н2О*i_Н2О ,

где C_СаСО3 - теплоемкость известняка, кДж/кг*град (C_СаСО3=0,816 кДж/кг*град), [3, приложение];

i_Н2О - энтальпия воды при 16⁰ С, кДж/кг (i_Н2О=67,1 кДж/кг); [3,приложение, таблица ХХ]

m_Н2О - масса воды в известняке, кг;

m_СаСО3 - масса известняка, кг;

t _СаСО3 - температура поступающего известняка, ⁰С.

Q ^физич _СаСО3 =(1000-15)*0,816*16+15*67,1=13866,660 кДж

2) Физическое тепло кокса

Q ^физич _С = (m_С - m_Н2О)* C_С* t _С + m_Н2О*i_Н2О,

где C_С - теплоемкость кокса, кДж/кг*град (C_С =1,047 кДж/кг*град) ;[3 приложение]

i_Н2О - энтальпия воды при 16⁰ С, кДж/кг( i_Н2О=67,1 кДж/кг);

m_Н2О - содержание влаги в коксе, кг.

Q ^физич _С = (1-0,03)*х*1,047*16 + 0,03*х*67,1 = 18,262х кДж

3) Физическое тепло воздуха

Q ^физич _воздух = m _{воздуха}* i_{воздуха} ,

где i_{воздуха} - энтальпия воздуха, кДж на кг сухого воздуха (i_{воздуха} =35,51 кДж), [3,приложение, таблица ХIХ];

m _{воздуха}- масса сухого воздуха, кг.

Q ^физич _воздух =7,7115*35,51 = 273,835х кДж

4)Тепло сгорания кокса

Q_{1реакции} = Q¹ _{реакции} + Q¹¹ _{реакции}

Тепло от сгорания углерода до СО₂

Q¹ _{реакции} = m_СО2 * Q_r1 ,

где m_СО2 -масса углекислого газа, кг;

Q_r1 - теплота сгорания углерода до СО₂, кДж на 1 кг СО₂(Q_r1 =8941,2 кДж). [1]

Q¹ _{реакции} =3,1401х*8941,2 = 28076,262х кДж

Тепло от сгорания углерода до СО

Q¹¹ _{реакции} = m_СО * Q_{r 2},

где m_СО -масса оксида углерода, кг;

Q_r2 - теплота сгорания углерода до СО, кДж на 1 кг СО (Q_r2 = 3944,9 кДж). [1]

Q¹¹ _{реакции} = 0,0553х*3944,9 = 218,153х кДж

Всего тепла от сгорания кокса

Q_{1реакции} = 28076,262х + 218,153х = 28294,415х кДж

5) Теплота гашения извести влагой воздуха

СаО_(ТВ) + H₂О_(г) = Са(ОH)_{2 (ТВ)} + 109,26 кДж/кг [1]

Q _р = 109,26 кДж/кг

Q_{2реакции} = Q _р *m_п * m_СаСО3 / М _H2О

где Q _р -теплота реакции, кДж /кг;

m_п - масса паров воды, кг;

m_СаСО3 - масса известняка, кг;

М _H2О - молярная масса воды, кг/моль.

Q_{2реакции} =109,26*0,06933х*1000/18 = 420,833х кДж

Q _{прихода} =13866,660 + 18,262х +273,835х + 28294,415х + 420,833х = 13866,660 + +29007,345х кДж

II. Расход тепла.

Q_расх = Q^физич _{расхода.} + Q_{1реакции} + Q_{2реакции} + Q_потерь

1. Q^физич _{расхода} = q₁ + q₂

а) С отходящими газами

q₁ =(m_СО2*C_СО2 + m_СО*C_СО + m_О2* + m_N2*C_N2 )*t _отх. + m_Н2О*i_Н2О,

где C_СО2, C_СО, C_О2 , C_N2 - теплоемкости СО₂, СО,О₂, N₂, кДж/кг*град (0,892 ; 1,044 ; 1,044 ; 0,649 - теплоемкости СО₂,СО,N₂, О₂); [3,приложение, табл. I]

m_СО2, m_СО, m_О2, m_N2 - масса СО₂, СО,О₂, N₂, кг;

t _отх - температура отходящих газов, ⁰ С;

i_Н2О - энтальпия паров воды при 0,1*10⁵ н/м² и 112⁰ С, кДж/кг (i_Н2О = 2707 кДж/кг); [3,приложение, табл. ХХI ];

m_Н2О - масса воды, кг.

q₁ = [(386,340 +3,1401х)*0,892 + 0,0553х*1,044 + 0,1389х*0,932 + 5,2574х*1,044]*112 + (15 + 0,03х)*2707 = 79201,910 + 1030,621х кДж

б) С выгружаемой известью

q₂ = m_СаО* C_СаО* t _СаО,

где C_СаО - теплоемкость извести, кДж/кг*град (C_СаО =0,795 кДж/кг*град), [3,приложение ];

m_СаО - масса извести, кг;

t _СаО - температура выгружаемой извести, ⁰ С.

q₂ =( 598,660 + 0,1591х)*0,795*50 = 23796,74 + 6,3242х кДж

Q^физич _{расхода} = 79201,910 + 1030,621х + 23796,74 + 6,3242х = 102998,650 + +1036,9452х кДж

2. Разложение СаСО₃ по реакции:

СаСO_3(ТВ) = СаО_(ТВ) + СО_2(Г) - 158,70 кДж/моль [ 2, с.19]

Q_p = 158,70 кДж/моль

Q_{1реакции} = Q _р *m_разл * m_СаСО3 / М _СаСО3,

где Q _р -теплота реакции, кДж /кг;

m_разл - масса разложившегося известняка, кг;

m_СаСО3 - масса известняка, кг;

М _СаСО3 - молярная масса известняка, кг/моль.

Q_{1реакции} =158,700*860,250*1000/100 = 1365216,750 кДж

3.Разложение МgСО₃ по реакции:

МgСO_3(ТВ) = МgО_(ТВ) + СО_2(Г) - 101,46 кДж/моль [ 2]

Q_p = 101,46 кДж/моль

Q_{2реакции} = Q _р *m _МgСО3 * m_СаСО3 / М _МgСО3,

где Q _р -теплота реакции, кДж /кг;

m _МgСО3 - масса МgСO₃, кг;

m_СаСО3 - масса известняка, кг;

М _МgСО3 - молярная масса МgСO₃, кг/моль.

Q_{2реакции} =101,460*1000*7,170/84,30 = 8629,52 кДж

4.Потери тепла в окружающую среду принимаем 12% от прихода тепла:

Q_потерь = (13866,660 + 29007,345х)*0,12 = 1663,9992 + 3480,881х кДж

5. Q_{расхода} = Q^физич _{расхода.} + Q_{1реакции} + Q_{2реакции} + Q_потерь

Q_расх = 79201,910 + 1030,621х + 23796,740 + 6,3242х + 1365216,750 + 8629,520+ 1663,9992+ 3480,881х = 1478508,919 + 4517,8262х кДж

III. Расчет количества кокса на основе материального и теплового балансов.

Q_{прихода.} = Q_{расхода}

13866,660 + 29007,345х = 1478508,919 + 4517,8262х

24489,5188х = 1464642,259

х = 59,81 кг кокса

Если на 1000 кг/ч известняка приходится 59,81 кг кокса, то на 210000 известняка/сутки = 8750 кг/ч известняка будет приходиться кокса:

59,81 кг кокса - 1000 кг/ч известняка

х кг кокса -8750 кг/ч известняка

х = 8750*59,81/1000 = 523,338 кг кокса на 8750 кг/ч известняка

Коэффициент, на который будем помножать равен 8750/1000 = 8,75

Расчет количеств веществ на 8750 кг/ч известняка

Состав выходящей из печи извести ( на 8750 кг/ч известняка ):

m СаО =481,74*8,75 - 0,2157*523,338=4215,225 - 112,884 = 4102,341 кг

m Са(ОН)₂ =0,2850*523,338 = 149,151 кг

m MgО = 7,17*8,75 =62,737 кг

m СаСО_{3 неразл.} =64,75*8,75 = 566,560 кг

m Fе₂О₃ =15*8,75 =131,250 кг

m Аl₂О₃ = 12*8,75= 105,00 кг

m SiО₂ = 18*8,75 = 157,500 кг

m золы = 0,0800*523,338 =41,867 кг

m С_{несгор.} = 0,0098*523,338 = 5,129 кг

Итого: 598,66*8,75 +0,1591*523,338 = 5238,275+ 83,260=5321,535 кг

Состав выходящих из печи газов (на 8750 кг/ч известняка)

m СО₂ =386,34*8,75 + 3,1401*523,338 =3380,475+1643,333 = 5023,808 кг

m СО = 0,0553*523,338 = 28,941 кг

m О₂ = 0,1389*523,338 = 72,692 кг

m N₂ = 5,2574*523,338 = 2751,397 кг

m Н₂О = 15,00*8,75 +0,0300*523,338 = 131,250 + 15,700 =146,950 кг

Итого: 401,34*8,75 +8,6217*523,338 =3511,725 + 4512,063 = 8023,788 кг

Расчет массы воздуха

m _О2 = 2,4542*523,338 =1284,376 кг на 523,338 кг кокса

m _{H2О пары} =0,06933*523,338 = 36,283 кг на 523,338 кг кокса

m _N2 = 5,2574*523,338 = 2751,397 кг на 523,338 кг кокса

Итого: 4072,056 кг воздуха на 523,338 кг кокса

Расчет теплоты веществ (на 8750 кг/ч известняка, к=8,75)

Приход тепла:

Q ^физич _СаСО3 = 13866,660*8,75 = 121333,275 кДж

Q ^физич _С = 18,262х =18,262*523,338 =9557,199 кДж

Q ^физич _воздух = 273,835х =273,835*523,338 = 143308,261 кДж

Q_{1реакции} = 28294,415х = 28294,415*523,338 =14807542,560 кДж

Q_{2реакции} = 420,833х = 420,833*523,338 = 220237,901 кДж

Q _{прихода} = 15301979,200 кДж

Расход тепла:

q₁ = 79201,910*8,75 + 1030,621*523,338= 693116,710+ 539363,133= 1232379,843 кДж

q₂ =23796,74*8,75 + 6,3242*523,338 =208221,475 + 3309,694 = 211531,169 кДж

Q^физич _{расхода} = 1443911,012 кДж

Q_{1реакции} =1365216,750*8,75 = 11945646,560 кДж

Q_{2реакции} =8629,52*8,75 = 75508,300 кДж

Q_потерь = 1663,9992*8,75 + 3480,881*523,338 = 14559,993 + 1821577,301= =1836237,294 кДж

На основе расчетных данных составляем таблицу материального и теплового балансов

Таблица 3 - Сводный материальный баланс известково-обжигательной печи на 8750 кг/ч известняка

Приход	Расход
Статьи прихода	Количество, кг/ч	Относит процент,%	Статьи расхода	Количество, кг/ч	Относ. процент,%
	поток	Компо-нент			поток	Компо-нент
1.Известняк, в том числе	8750,000			1.Извест в том числе	5321,535
СаСO3		8093,750	92,500	СаО		4102,341	77,090
MgСО3		131,250	1,500	Са(ОН)2		149,151	2,800
Fе2О3		131,250	1,500	MgО		62,737	1,180
Аl2О3		105,000	1,200	СаСО3 неразл		566,560	10,650
SiО2		157,500	1,800	Fе2О3		131,250	2,470
Н2О		131,250	1,500	Аl2О3		105,000	1,970
2.Кокс, в том числе	523,338			SiО2		157,500	2,960
С		465,771	89,000	С		5,129	0,096
Н2О		15,700	3,000	Зола		41,867	0,784
Зола		41,867	8,000	2. Газ, в том числе	8023,788
3.Воздух в том числе	4072,056			СO2		5023,808	62,720
О2		1284,376	31,540	СО		28,941	0,360
N2		2751,397	67,570	O2		72,692	0,910
Н2О		36,283	0,890	N2		2751,397	34,300
				Н2О		146,950	1,710
Итого	13345,394	13345,394		Итого	13345,323	13345,323

Невязка баланса составила (13345,394-13345,323) *100% / 13345,394 = 0,00053 %

Таблица 4 - Сводный тепловой баланс известково-обжигательной печи на 8750 кг/ч известняка

Приход	Расход
Статьи прихода	Количество, кДж/ч	Относпроцент,%	Статьи расхода	Количество, кДж/ч	Относ. процент,%
	поток	компонент			поток	компонент
1. Q физ, в том числе	274155,581			1.Qфиз расхода, в том числе	1443911,012
Q физ СаСО3		121333,275	0,790	Qфизгаз		1232379,843	8,500
Q физ С		9557,199	0,062	QфизСаО		211531,169	1,380
Q физ воздух		143308,261	1,020	2.Qразл. СаСО3	11945646,560	11945646,560	77,630
2. Qр сгор.	14807542,560	14807542,560	96,550	3.Qразл МgСО3	75508,300	75508,300	0,490
3.Qр гашен	220237,901	220237,901	1,578	4.Qпотерь	1836237,294	1836237,294	12,000
Итого	15301979,200	15301979,200	100%	Итого	15301303,170	15301303,170	100%

Невязка баланса составила (15301979,200 - 15301303,170)*100% / 15301979,200 = =0,0044 %

Состав продуктов полученных в обжиговой печи (на 8750 кг/ч известняка).

Выражаем количество Са(ОН)₂ в пересчете на СаО:

m_Са(ОН)2 = 0,2850*523,338*56/74 =112,871 кг

Тогда сумма СаО в выпускаемой из печи извести будет:

4102,341+112,871 = 4215,212 кг

% СаО в извести равен: 4215,212*100/5321,535 = 79,21 %

Из 8750 кг/ч известняка получается стандартной 85 % СаО

5321,535*79,21/85 =4959,045 кг/ч,

а из 8750 кг/ч 100% СаСO₃ 4959,045*100/92,5 = 5361,13 кг/ч

Состав выходящих из печи газов по объему (в нм³) на 8750 кг/ч известняка

[3, приложение, таблица. XVIII, плотность компонентов: СО₂,СО, О₂, H₂О ]

V_К = m _К/ с _К,

где m _К - масса компонента, кг;

с _К - плотность компонента, кг/нм³;

V _СО2 = 5023,808/1,9769 = 2541,260 нм³ (50,960 об. %)

V _СО = 28,941/1,2504 =23,150 нм³ (0,460 об. %)

V _О2 = 72,692/1,42895 = 50,870 нм³ (1,020 об. %)

V _N2 = 2751,397/1,2568 = 2189,210 нм³ (43,900 об. %)

V _H2О = 146,950/0,804 = 182,770 нм³ (3,660 об. %)

Итого: 4987,260 нм³ 100,000 %

При пересчете на сухой газ:

СО₂ 2541,260 нм³ или 52,900 % об.

СО 23,150 нм³ или 0,480 % об.

О₂ 50,870 нм³ или 1,060 % об.

N₂ 2189,210 нм³ или 45,560 % об.

Итого: 4804,49 нм³ 100,000%

При промывке и охлаждении газа в скрубберах и электрофильтрах поглощается 5-6 % СО₂. Принимаем потерю СО₂ 5%.

5023,808*0,05 = 251,1904 кг или 25410260*0,05 = 127,063 нм³

Состав газа после промывки:

СО₂ 2414,197 нм³ или 51,610 % об.

СО 23,150 нм³ или 0,490 % об.

О₂ 50,870 нм³ или 1,090 % об.

N₂ 2189,210 нм³ или 46,810 % об.

Всего: 4677,427 нм³ 100,000%

3.6.3 Расчет теоретических и практических расходных коэффициентов на основе материального и теплового балансов

Стехиометрические расходные коэффициенты:

k _{стехиом.} = m _В/ m _{продукта}

k _{стехиом..известн.} = 8750 / 5321,535 = 1,64 кг известняка/ т извести

k _{стехиом..кокса.} = 523,338 / 5321,535 = 0,098 кг кокса/ т извести

k _{стехиом..возд.} = 4072,056/ 5321,535 = 0,77 кг воздуха/ т извести

Теоретические расходные коэффициенты:

k _теор = m _В/ m _{продукта} *? ,

где ?- степень обжига,%.

k _{теор..известн.} = 8750/(0,93* 5321,535) = 1,77 кг известняка/ т извести

k _{теор. кокса.} = 523,338/(0,989*5321,535) = 0,099 кг кокса/ т извести

k _{теор. .возд.} = 4072,056/(0,93*5321,535) = 0,82 кг воздуха/ т извести

k _{пр..известн} = 1,8; k _{пр. кокса}=0,15; k _{пр. .возд} = 1,3 [1; 2]

Таблица 5 - Расходные коэффициенты.

Исходное сырьё	Значение расходного коэффициента
	Стехиометрическое	Теоретическое	Практическое
Известняк	1,64	1,77	1,8
Кокс	0,098	0,099	0,15
Влажный воздух	0,77	0,82	1,3

3.7 Перспективы совершенствования производства

Повышение эффективности существующего процесса возможно при внедрении следующих основных мероприятий:

Увеличение степени превращения > уменьшение потерь сырья.

Для уменьшения потерь тепла, необходимо увеличить толщину наружного стального кожуха и внутренней огнеупорной кладки, т.е. улучшить теплоизоляцию шахтной печи.

Удельный расход топлива в известковых и содовых печах зависит главным образом от качества (прежде всего от влажности) перерабатываемого материала и степени использования тепла в печи. Важнейшим показателем степени использования тепла является концентрация и температура отходящих газов. Потери тепла с газами, выходящими из известковой печи, составляют обычно 70--100 тыс. ккал на 1 т извести, или около 8 % от общего расхода тепла в печи. Такой же примерно величины достигают потери с несгоревшим топливом, выходящим из печи вместе с известью. Однако при существующей периодической загрузке шихты температура газа, выходящего из печи, подвержена резким колебаниям: при задержке в подаче очередной партии шихты повышается температура газа и значительно увеличивается удельный расход топлива. Подобные нарушения режима связаны также с неравномерностью выгрузки: при чрезмерно форсированном отборе извести зона обжига смещается вниз, увеличиваются потери тепла с горячей известью и несгоревшим топливом. Если отбор извести производится медленно, то растет температура отходящих газов, поэтому для уменьшения тепловых потерь и расхода топлива необходимо поддерживать установленные нормы режима печей.

Обычные потери тепла с газами и с несгоревшим топливом соответствуют 20--З0 кг условного топлива; при уменьшении потерь значительно улучшаются экономические показатели производства, повышается степень обжига и концентрация газа. При увеличении потерь тепла понижается степень обжига (перерасход сырья) и концентрация газа. Освоение лучших методов обслуживания известковых печей, оснащение печей необходимыми контрольно-измерительными приборами и устройствами для автоматического регулирования является важнейшим условием существенного сокращения расхода топлива и улучшения всех технико-экономических показателей работы печей.

Для полного использования карбонатного сырья, добываемого в карьерах содовых заводов, мелкие его фракции следует обжигать в печах с «кипящим» слоем, куда материал подается измельченным. В кипящем слое обжиг измельченного сырья происходит весьма интенсивно и съем извести с 1 м² сечения печи увеличивается в 2--З раза по сравнению со съемом извести в обычных шахтных печах. Мелкие фракции карбонатного сырья можно также использовать для получения цементного клинкера или передавать заводам черной металлургии для приготовления офлюсованного агломерата (содержащего известь).

В качестве топлива для обжига карбонатного сырья вместо дорогого кокса или высокосортного антрацита целесообразно использовать дешевый низкосортный антрацит (штыб), пригодный для проведения обжига в «кипящем» слое, или природный газ. Следует иметь в виду, что при использовании природного газа концентрация СО₂ в газе понижается, поэтому необходимо поступление концентрированного углекислого газа извне (например, с производства синтетического аммиака).

Применяемые колпачковые или скрубберные аппараты должны быть значительно интенсифицированы путем увеличения скорости газового потока; частично их следует заменить аппаратами новых типов меньших габаритов.

Процесс карбонизации аммиачного рассола целесообразно проводить при высоких концентрациях реагентов и несколько повышенном давлении. Одновременно следует обеспечить постепенное многоступенчатое насыщение аммиачно-соляного раствора углекислым газом.

Газ в колонны можно подавать при помощи высокопроизводительных компактных турбокомпрессоров. При этом капитальные затраты на компрессорную установку уменьшаются в 2--3 раза.

Разделение бикарбонатной суспензии, выходящей из карбонизационных колонн, следует производить на высокопроизводительных центрифугах непрерывного действия. При этом получается бикарбонат с влажностью 8--9%; для его кальцинации требуется на 15% меньше топлива по сравнению с количеством топлива, которое расходуется в настоящее время; соответственно повышается производительность содовых печей.

Дальнейшее уменьшение расхода топлива в процессе кальцинации достигается путем использования тепла отходящих газов (например, для подогрева воздуха, поступающего в топку или для кальцинации бикарбоната натрия). Удельный расход топлива при этом может быть сокращен на 10%.

Экономичность производства резко возрастет, если будут найдены эффективные способы использования отходов содового производства.

Заключение

В данной курсовой работе был изучен процесс обжига известняка в производстве кальцинированной соды.

Для обжига известняка выбрана вертикальная шахтная известково-обжигательная печь, обладающая большими преимуществами по сравнению с другими печами.

На основе расчетов составлены материальный и тепловой балансы стадии обжига известняка и выбраны оптимальные условия технологического процесса:

- обжиг известняка ведется при 900-1250⁰С;

- степень превращения 93%;

- потери тепла 12%;

- содержание свободного активного СаО при обжиге известняка не менее 75%.

Рассчитаны количественные показатели процесса на основе составления материального и теплового балансов:

m_CaO = 4959,045 кг/ч (стандартной 85%) (из 8750 кг/ч известняка);

W_CaO = 79, 21 %;

k _{стехиом.известн.} = 1,64 кг известняка/ т извести

k _{стехиом кокса.} = 0,098 кг кокса/ т извести

k _{стехиом.возд.} = 0,77 кг воздуха/ т извести

k _{теор.известн.} = 1,77 кг известняка/ т извести

k _{теор.кокса.} = 0,099 кг кокса/ т извести

k _{теор..возд.} = 0,82 кг воздуха/ т извести

k _{пр.известн} = 1,8 ; k _{пр.кокса.}=0,15; k _{пр.возд} = 1,3.

Выработаны основные направления усовершенствования процесса: улучшение теплоизоляции шахтной печи (уменьшение потерь тепла); автоматизация печей предусматривает поддержание стабильной нагрузки печей, а также поддержание оптимальных параметров процесса; автоматическое регулирование расхода сырья и топлива.

Список используемой литературы

1. Зеликин М.Б., Миткевич Э.М. Производство кальцинированной соды. М.: Химия, 1959. 422с.

2. Крашенинников С.А.Технология соды. М.: Химия, 1988. 304с.

3. Расчеты по технологии неорганических веществ под редакцией Дыбиной П.В.. М.: Высшая школа,1966. 524 с.

4. Позин М.Е. Расчеты по технологии неорганических веществ. Л.: Химия, 1977. 496 с.

5. Шокин И.Н., Крашенинников С.А. Технология соды. М.: Химия, 1975. 288с.

6. Краткий справочник физико-химических величин под редакцией Равделя А.А. С- П: Иван Федоров, 2002. 240 с.

Размещено на Allbest.ru