Тепловые процессы и аппараты в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Состав топлива - газ

СН4=96%

С2Н6=2%

С3Н8=0,5%

N2=1%

CO=0.5%

Состав сырья:

SiO2=14.33

Al2O3%=3.04%

Fe2O3=2.88%

CaO=43.32%

MgO=0.43%

ПППС% Wсм \ 34,295 1

Минералогический состав сырья %: C3S C2S C3A C4AF

58,784 16,402 8,133 12,166

Печь:

Размеры: 460 м

Производительность 35 т / ч

Параметры работы:

температура отходящих газов при сухом способе (350ОС)

температура клинкера на выходе из холодильника 900С

температура клинкера на выходе из печи (1200 ОС)

температура избыточного воздуха 120 ОС

степень очистки газов в электрофильтрах (98%)

температура окружающей среды (+15 ОС)

температура сырьевой смеси (+15 ОС)

5. коэффициент избытка воздуха б=1,05

6. объём воздуха на охлаждение 3,0 м3 / кг кл

7. температура корпуса печи и коэффициент теплоотдачи

8. пылевынос общий 10%

Степень улавливания 98% пыли фильтрами.

Холодильник колосниково-переталкивающего типа «Волга 35 С»

Размеры: l=23м, h=6м, a=10м,

Производительность: 35 т/ч;

ВВЕДЕНИЕ

Способы производства клинкера

Для получения клинкера необходимо подготовить из сырьевых материалов шихту заданного химического состава. Допуск колебания в составе довольно жесткий (±0,1% по СаО), что накладывает. на технологический процесс определенный отпечаток. Поскольку часто имеет место неоднородность по составу сырьевых материалов, дозирующие весовые аппараты не могут обеспечить точность и шихта готовится, как бы в два этапа--сначала готовится смесь приближенного состава, а затем состав ее корректируют до точно-то на основе данных химического анализа.

Как уже отмечалось, синтез клинкерных минералов протекает вначале путем реакций в твердой фазе. Скорость образования минералов (С3S, С3А, С4АF) в этих условиях определяется скоростью диффузии реагирующих компонентов. Процесс можно ускорить, если сырьевые компоненты превратить в тонкодисперсный материал с большой удельной поверхностью (500--600 м3/кг). Тонкий размол также облегчает перемешивание и усреднение сырьевой смеси.

Завод по производству портландцемента многотонажное производство, выпускающее массовую продукцию. Современный завод выпускает 1--2 млн. т цемента в год и перерабатывает в сутки несколько железнодорожных составов сырья. При таких массовых потоках сырья серьезной проблемой является гомогенизация -- усреднение шихты. В общем виде технология приготовления сырьевой шихты включает: измельчение сырья, шихтовку, корректировку и усреднение сырьевой смеси, обжиг сырьевой смеси получение клинкера.

Перемешивание и усреднение порошков трудная технологическая операция. Проще и легче перемешивание и усреднение осуществлять, если размолотые сырьевые материалы будут находиться в виде водных суспензий. Последнее обстоятельство является одной из причин наличия двух способов производства портландцементного клинкера: 1) сухого, когда шихту размалывают в тонкодисперсный порошок, а смешение, усреднение и корректирование производят со смесью порошкообразных материалов; затем шихта направляется на спекание в печь; 2) мокрого, при котором сырьевые материалы размалываются в воде, а усреднение и корректирование производят с сырьевыми шламами (водными суспензиями тонкодиспергированного сырья) с влажностью 30--50% шламы далее направляют для термической обработки в печь.

Промежуточное положение занимает комбинированный способ производства, при котором используют для обжига печи, работающие на гранулах (шахтные, с конвейерными кальцинаторами, спекательные решетки). Комбинированный способ может основываться как на мокром, так и на сухом способе приготовления шихты. В первом случае шлам обезвоживают в вакуум-фильтрах или фильтр-прессах до остаточной влажности 16--18%, после чего производят переработку сухаря (коржа) в гранулы в грануляторах. Если сырьевая смесь готовится по сухому способу, то необходимость ее увлажнения до 12--15% при грануляции и обжиг в виде гранул позволяют такой способ приготовления шихты и обжига также отнести к комбинированному.

Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. При мокром способе ниже расход электроэнергии на измельчение, так как размол материалов в водной среде протекает легче, причем часть сырьевых материалов способна размучиваться (распускаться) в воде--глина, мел, мягкие мергели. Если оба сырьевых компонента мягкие (мел+глина), то экономия энергии при измельчении может достигать 10 кВт-ч/т сырья. Проще и надежнее осуществляют усреднение шихты в виде шлама, чем усреднение шихты в порошкообразном состоянии. Правда, внедрение техники усреднения сырьевых компонентов путем штабелирования дробленого сырья значительно упрощает технологию усреднения самой шихты, что снижает значимость преимущества мокрого способа производства перед сухим.

При сухом способе сушка сырья производится в процессе приготовления шихты: перед измельчением или в процессе измельчения в дробилках или мельницах с одновременной сушкой. При мокром способе производства шлам перемещается гидротранспортом -- самотеком или с помощью центробежных насосов, при сухом же способе применяют пневмотранспорт, шнеки и элеваторы, что повышает загрязнение пылью воздуха в цехах и на территории завода и требует установки дополнительного оборудования для обеспыливания аспирационного воздуха. Текучесть шлама, обеспечивающая его гидротранспорт, достигается при влажности 34--42%. Глина (20% в шихте) имеет влажность 20--25%, известняк (80% в шихте) имеет влажность 5--8%, мел содержит до 20--25% воды. Сырьевая смесь будет иметь влажность при использовании известняка и глины 10--12% и при использовании мела и глины--20-- 25%. Следовательно, при приготовлении сырьевого шлама необходимо дополнительно вводить от 50 до 30% воды. В результате удельный расход тепла на обжиг при сухом способе составляет 2900--3750 кДж/кг клинкера, а при мокром--в 2--3 раза больше. _ В целом при сухом способе необходимо затратить 3100--4400 кДж на 1 кг клинкера против 5440 кДж при мокром способе. Экономия тепла при сухом способе производства составляет 1650-- 2900 кДж/кг клинкера.

Объем печных газов при сухом способе на 35--40% меньше, чем при мокром способе при одинаковой производительности печей.

В результате при сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются большие возможности использования тепла отходящих газов для сушки сырья, что позволяет дополнительно снизить общий расход топлива на производство клинкера, но вызывает усложнение технологических схем.

1. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Состав газа: Тюменского месторождения, %

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СО2	N2
95,9	1,9	0,5	0,3	0,1	-	1,3	100,0

Qрн=358СН4+637С2Н6+912С3Н8+1187С4Н10+1460С5Н12 кДж/м3

Qрн=35895,9+6371,9+9120,5+11870,3+14600,1=36500,6 кДж/м3

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения топлива:

LоО2 =0,01(2СН4+3,5С2Н6+5С3Н8+6,5С4Н10+8С5Н12) м3воз./м3

LоО2=0,01(295,9+3,51,9+50,5+6,50,3+80,1)= 2,037 м3воз./м3

Loв = LоО2 Ч 100/21 м3воз./м3

Loв = 2,037 Ч100/21 = 9,7 м3воз./м3

Действительный расход воздуха находим по формуле:

Lдв = б Lов м3воз./м3

Lдв =1,059,7 = 10,185 м3воз./ м3

где - коэффициент избытка воздуха, для газообразного топлива принимаем =1,05

Выход газообразных продуктов горения

Lco2=0,01(СН4+2С2Н6+3С3Н8+4С4Н10+5С5Н12+СО2) м3/м3топл

Lco2=0,01(1*95,9+2*1,9+3*0,5+4*0,3+5*0,1)= 1,029 м3/м3топл

Lн2о=0,01(2СН4+3С2Н6+4С3Н8+5С4Н10+6С5Н12) м3/м3топл

Lн2о=0,01(2*95,9+3*1,9+4*0,5+5*0,3+6*0,1)=2,016 м3 /м3топл

LN2=0,01N2+0,79 Lдв м3/м3топл

LN2=0,01*1,3+0,79*10,185=8,059 м3/м3топл

Lизo2=0,21(-1)L0в м3/м3топл Lизo2=0,21(1,05-1) 2,037=0,102 м3/м3топл

Общий объём продуктов горения.

Lп.г.= Lco2+ Lн2о+ LN2+ Lизo2 м3/м3топл

Lп.г= 1,029+2,016+8,059+0,102=11,206 м3/м3топл

Массовый выход продуктов горения топлива.

mСО2=1,977Lco2= 1,9771,029 = 2,034 кг/м3

mН2О=0,805Lн2o= 0,8052,016=1,621 кг/м3

mN2=1,251LN2= 1,2518,059=10,082 кг/м3

mО2=1,429Lo2= 1,4290,102=0,146 кг/м3

m п.г.=2,034+1,621+10,082+0,146=13,883 кг/м3

Материальный баланс горения топлива

Приход	Количество	Расход	Количество
	м3/м3	кг/м3		м3/м3	кг/м3
1. Топливо	1	0,741	1. Углекислый газ	1,029	2,034
2. Воздух	10,185	13,169	2. Водяные пары	2,016	1,621
Итого	11,185	13,91	3. Азот	8,059	10,082
			4.Кислород	0,102	0,146
%невязки = 0,19		Итого	11,206	13,883

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПЕЧИ

Расходные статьи

Расход топлива

Принимаем расход топлива за хТ, массовый расход хТ=0,741хТ

Расход сырья

Теоретический расход сухого сырья

кг/кг кл.

кг/кг кл.

где ПППс - потери при прокаливании сырья ПППс=34,3%

Действительный расход сырья

а) 1,522+0,169=1,691 кг/кг кл.

б) кг/кг кл.

кг/кг кл.

- общий пылевынос кг/кг кл

- безвозвратный пылеунос кг/кг кл

Расход сырьевой смеси.

кг/кг кл.

где WC- влажность сырьевой смеси

а) кг/кг кл.

б)кг/кг.кл.

Расход воздуха на горение топлива

- действительный расход воздуха на горение

- 10,185 м3/м3топл

В - плотность воздуха при нормальных условиях,

В =1,293 кг/м3;

м3/м3

Расход дополнительного воздуха

м3 / кг

св = 0,418*1,293=0,54 кг / кг

Приходные статьи

Выход клинкера Gкл = 1кг

Выход углекислого газа из сырья выход углекислого газа выделяющегося при разложении CaCO3 и MgCO3 в процессе обжига сырья: расчет производится исходя из величины потерь при прокаливании (ПППс) с содержании гидратной воды связанной в каолините Al2O32SiO22H2O

кг/кг кл

где 0,35Al2O3 - процентное содержание алюминия в сырье.

кг/кг кл

Выход гидратной влаги

кг/кг кл.

кг/кг кл.

Выход физической воды при сушки сырья

кг/кг кл.

а) кг/кг кл.

б) кг/кг кл.

Выход отходящих газов из печи

кг/кг кл.

а) Gот=13,883+0,502+0,020+0,017=13,883+0,539

б) Gот=13,883+0,502+0,020+0,018=13,883+0,54

Gпг=(mCO2+mN2+mH2O+mO2)xT=(2,034+1,621+10,082+0,146)xT=

=13,883хт

Общий пылевынос из печи

кг/кг кл

Выход СО2 от горения добавки

м3 / кг кл

сСО2 = 0,088*1,977=0,174 кг /кг кл

Выход N2 от горения добавки

м3 / кг кл

сN2 = 0.33*1.251=0.413 кг/ кг кл

Результаты расчета приходных и расходных статей предварительно материального баланса

Приход	кг / кг кл 1 вариант	кг / кг кл 2 вариант	Расход	кг / кг кл 1 вариант	кг / кг кл 2 вариант
1. Выход клинкера	1	1	1. Расход топлива	0,741Хт	0,741Хт
2. Выход отх.газов	13,883 Хт+ +0,539	13,883 Хт+ +0,54	2. Расход с.смеси	1,708	1,756
3. Общий пылевынос	0,169	0,169	Расход воздуха:- осн.топл- дополнит.возд	13,169Хт-	13,169Хт0,54
Выход продуктов: - -	--	0.4130.174	Итого	13,91Хт++1,7	13,91Хт+2,2
Итого	13,883Хт + +1,708	13,883Хт + +2,296

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ХОЛОДИЛЬНИКА

Приход тепла

Энтальпия клинкера на входе

= 1200 ОК

= 1 кг

=1,013

кДж/кг

Энтальпия воздуха на охлаждение

=3,0 м3/кг

=48,320 кДж/кг

Расход тепла

Энтальпия клинкера на выходе

=70,518 кДж/кг

Энтальпия избыточного воздуха

 кДж/кг

а) кДж/кг

б)

= 426,607-2098,612ХТ

Потери тепла в окружающую среду

кДж/кг

S=la+2(lh+ah)=2310+2(236+106)=626 м2

=(3,2+0,065tк) 4,19=(3,2+0,06550)4,19=27,025

кДж/кг

Потери со вторичным воздухом

а) =

=708,404+2098,612хТ кДж/кг

б) -16,918=

=759,877+2098,612хТ кДж/кг

Тепловой баланс холодильника

Приход	кДж / кг кл 1 вариант	кДж/кг кл 2 вариант	Расход	кДж / кг кл 1 вариант	кДж / кг Кл 2 вариант
1.С клинкером	1215,6	1215,6	1.С клинкером	70,518	70,518
2.С воздухом	58,320	58,320	2.С втор. воздухом	708,404+ +2098,612ХТ	759,877+ +2098,612ХТ
			3. С избыт. воздухом	478,080- -2098,612ХТ	426,607- -2098,612ХТ
Итого	1273,92	1273,92	4. Потери в окр.среду	16,918	16,918
			Итого	1273,92	1273,92

4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

Приходные статьи

Теплота сгорания топлива.

кДж/кг

кДж/кг

Тепло вносимое сырьевой смесью

кДж/кг

кДж/кг

Энтальпия воздуха поступающего в печь, участвующая в процессе горения топлива

кДж/кг

а)708,404+2098,612хТ кДж/кг

б) 759,877+2098,612хТ

Тепло от сгорания выгорающей добавки

Qдоб = Gугл*33900 = 0,047*33900=1593,3 кДж/кг

Расходные статьи

Тепловой эффект клинкерообразования (ТЭК)

QТЭК=Qэн-Qэкз

Qэн= Qдек+Qдег+Qж.ф.

Затраты тепла на декарбонизации карбоната кальция

Qдек=Gcасо31780 кДж/кг

%Н2ОГ=0,35Al2O3=0,353,7=1,295%

=34,3+1,295=35,595%

кДж/кг

кДж/кг

Затраты тепла на дегидратацию каолинита

кДж/кг

кДж/кг

Затраты тепла на образовании жидкой фазы Qжф=100 кДж/кг

Экзотермические эффекты образования клинкерных минералов.

кДж/кг

кДж/кг

где - содержание клинкерных минералов выраженных в %

кДж/кг

Qэн= 2191,649+134+100=2425,65 кДж/кг

QТЭК=2425,65-479,096=1946,553 кДж/кг

Затраты на испарения влаги из сырья

Qисп=2500 кДж/кг

Qисп=25000,017=42,5 кДж/кг

Потери тепла с отходящими из печи газами

а)

б)

Потери тепла с клинкером выходящем из печи

Qкл=CклGклtкл кДж/кг

Qкл=11,0131200=1215,6 кДж/кг

Потери тепла с выносимой из печи пылью

Qп=CпGпtог кДж/кг

Qп=1,060,169350=62,699 кДж/кг

Потери тепла через корпус печи в окружающую среду

кДж/кг

S=DпL

S=3,14460=753,6 м2

I зона	25%	45-110ОС
II зона	25%	80-230OC
III зона	25%	100-310OC
IV зона	25%	90-280OC

- берем по таблице в зависимости от скорости движения воздуха м/с

I зона кДж/кг

II зона кДж/кг

III зона кДж/кг

IV зона кДж/кг

?Qпечи=23,012+92,585+158,794+128,381=402,772 кДж/кг

Qу=30%?Qп=120,832

Qос=402,772+120,832=523,604 кДж/кг

а) QT+Qс.см+=Qиcп+ Qтэк+ Qог+ Qп+Qос+Qкл

36500,6хТ+62,305+708,404+2098,612хТ=42,5+1946,553+62,699+523,604+ +1215,6+5533,15хТ+193,725

33066,062хТ=3213,972

хТ=0,097

б) QT+Qс.см+=Qиcп+ Qтэк+ Qог+ Qп+Qос+Qкл

36500,6хТ+62,305+759,877+2098,612хТ+1593,3=42,5+1946,553+5533,15хТ+397,095+62,699+523,604+1215,6

33066,062хТ=1772,569

хТ=0,054

Материальный баланс теплового агрегата

Приход	1 вариант	2 вариант	Расход	1вариант	2вариант
	кг/кгкл.	кг/кгкл		кг/кгкл	кг/кгкл
клинкер	1	1	расход топлива	0,072	0,04
Отходящие газы	1,886	1,290	Расход с/смеси	1,708	1,756
общий пылевынос	0,169	0,169	расход воздуха	1,277	0,711
Выход продуктов	-	0,587	Расход доп воздуха	-	0,54
Итого	3,055	3,046	Итого	3,057	3,047

Невязка: а) %невязки=0,065%

б) %невязки=0,033%

Тепловой баланс теплового агрегата

Приход	1вариант	2вариант	Расход	1вариант	2вариант
	кг/кгкл.	кг/кгкл		кг/кгкл	кг/кгкл
Теплота сгорания топлива	3540,558	1971,032	ТЭК	1946,553	1946,553
Энтальпия сырья	62,305	62,305	Qисп	42,5	42,5
Энтальпия вторичного воздуха	911,969	873,202	Q ог	730,441	695,885
Тепло от сгорания добавки	-	1593,3	Q кл	1215,6	1215,6
			потери с пылевыно-сом	62,699	62,699
Итого	4514,832	4499,839	Q ос	523,604	523,604
			итого	4521,397	4486,841

%невязки: а)0,145 %, б)0,289%

5. ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕЧИ

клинкер топливо горение печь

тепловой коэффициент полезного действия

а)

б)

Технологический коэффициент полезного действия

а)

б)

тепловая мощность печи

Ф=0,278GклQT кДж/с(Вт)

а) Ф=0,278353540,558=34449,6 кДж/с(Вт)

б) Ф=0,278351971,032=19178,1 кДж/с(Вт)

Удельный расход условного топлива

а)

б)

6. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Объем газообразный продуктов на выходе из печи.

м3/кг.кл.

где

Vог - выход отходящих газов из печи м3/кг.кл.

tо.г. - температура отходящих из печи газо.

м3/кг.кл.

Объем газообразных продуктов перед дымососом увеличивается за счет подсосов воздуха и составит

VIПГ= VПГ1,2 м3/ч

VIПГ= 1107821,2=132938,4 м3/ч

Аэродинамическое сопротивление

Р=РП+Рц+ Рэ.ф.+ РГАЗ

где РП - сопротивление печи, Па

- приведенный коэффициент, =20

м/с

м/с

кг/м3

кг/м3

РП.К - гидравлическое сопротивление пыльной камеры 80120 Па принимаем 100 Па

Рэ.ф. - гидравлическое сопротивление электрофильтров 200250 Па принимаем 230 Па

Ргаз. - гидравлическое сопротивление газоходов 70100 Па принимаем 90 Па



Р=42+2500+90+230=2862 Па

С учетом запаса давления до 20%

Робщ=1,2Р Па

Робщ=28621,2=3434 Па

Мощность потребляемая дымососом

где К коэффициент запаса мощности К=1,11,2 принимаем К=1,1

ОБЩ =0,40,6 принимаем ОБЩ =0,4

Устанавливаем дымосос типа Д - 20Ч2

Техническая характеристика

Диаметр рабочего колеса 2000мм

Производительность 200000 м3 / ч

Напор 3,6 Па

Допускаемая частота вращения 735 об / мин

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При введении 3% угля в сырьевую смесь расход топлива снижается с 0,072кг/кг.кл. до 0,04 кг/кг.кл.

Это достигается за счет введения 3% угля, который вносит в печь дополнительное тепло от его сгорания. Из - за чего снизился объем отходящих газов с 1,886кг/кг кл до 1,290кг/кг кл

Технологический КПД печи увеличивается с 54,98 до 98,76%

ВЫВОД: введении 3% угля в сырьевую смесь на Катав - Ивановском заводе эффективно, т.к. снижается расход топлива и, следовательно, снижается расход тепла на получение клинкера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ю.М. Бутт, М.М. Сычев, В.В. Тимашев «Химическая технология вяжущих материалов» М., Высшая школа, 1980

2. П.В. Левченко «Расчет печей и сушил силикатной промышленности» М.: Высшая школа,1968

3. Проектирование цементных заводов. Под ред. П.В.Зозули.-СПб.:Изд-во «Синтез», 1995

Размещено на Allbest.ru