Расчет воздухонагревателя доменной печи

Расчет горения топлива

Состав природного и доменного газов, %.

Газ	CO	СО2	СН4	С2Н4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	H2	N2	О2	W г/м3
Природный	-	0.5	87.6	1.3	2.9	0.8	0.5	-	5.7	0.7	-
Доменный	27.6	9.8	0.7	-	-	-	-	3.5	58.1	0.3	45

1. Пересчитываем состав сухого газа на влажный. Объем влаги в 100м³ доменного газа:

Н₂О=(W*100)/(803.6+W)=(45*100)/(803.6+45)=5.3%

2. Коэффициент пересчета на влажный газ:

k_д=(100-5.3)/100=0.947

3. Состав влажного доменного газа:

СО_вл= k_д*СО=0.947*27.6=26.14%

СО_2вл= k_д*СО₂=0.947*9.8=9.28%

СН_4вл= k_д*СН₄=0.947*0.7=0.66%

Н_2вл= k_д*Н₂=0.947*3.5=3.31%

N_2вл= k_д*N₂=0.947*58.1=55.02%

О_2вл= k_д*О₂=0.947*0.3=0.28%

4. Состав влажных газов в %:

Газ	СО2	СО	Н2	N2	СН4	О2	Н2О
Доменный	9.28	26.14	3.31	55.02	0.66	0.28	3.6

5. Вычислим теплоту сгорания газов:

а) для природного газа:

=0.127CO+0.108H₂+0.358CH₄+0.586C₂H₄+0.636C₂H₆+

+0.913C₃H₈+1.185C₄H₁₀=0.358*87.6+0.586*1.3+0.636*2.9+

+0.913*0.8+1.185*0.5=35.28 [мДж/м³]

б)для доменного газа:

=0.127CO+0.108H₂+0.357CH₄=0.127*26.14+0.108*3.31++0.358*0.66=3.91 [мДж/м³].

6. Определим состав смеси. Доля доменного газа в смеси:

1-X - природный газ

X - доменный газ

х=(-)/(-)=(35.28-8)/(35.28-3.91)=

=0.869 [мДж/м³].

7. Доля природного газа:

1-х=1-0.869=0.131

8. Состав смешанного газа:

СО_см=СО_д*х+СО_п(1-х)=26.14*0.869=22.7%

СО_2см=СО_2д*х+СО_2п(1-х)=9.28*0.869+0.5*0.131=8.13%

СН_4см=СН_4д*х+СН_4п(1-х)=0.66*0.869+87.6*0.131=12.05%

С₂Н_4см=С₂Н_4д*х+С₂Н_4п(1-х)=1.3*0.131=0.17%

С₂Н_6см=С₂Н_6д*х+С₂Н_6п(1-х)=2.9*0.131=0.38%

С₃Н_8см=С₃Н_8д*х+С₃Н_8п(1-х)=0.8*0.131=0.1%

С₄Н_10см=С₄Н_10д*х+С₄Н_10п(1-х)=0.5*0.131=0.06%

Н_2см=Н_2д*х+Н_2п(1-х)=3.31*0.869=2.87%

N_2см=N_2д*х+N_2п(1-х)=55.02*0.869+5.7*0.131=48.56%

О_2см=О_2д*х+О_2п(1-х)=0.28*0.869+0.7*0.131=0.33%

H₂O_см=Н₂О_д*х+Н₂О_п(1-х)=5.3*0.869=4.6%

Состав смешанного газа в %:

Газ	CO	СО2	СН4	С2Н4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	H2	N2	О2	W г/м3
ПДС	22,7	8,13	12,05	0,17	0,38	0,1	0,06	2,87	48,56	0,33	4,6

9. Расход кислорода на горение:

=0,01*((22,7+2,87)*0,5+2*12,05+3*0,17+3,5*0,38+5*0,1+

+6,5*0,06-0,33)=0,393 [м³/м³].

10. Теоретически необходимое количество воздуха:

L₀=(1+3,762)*0,393=1,87 [м³/м³].

11. Действительное количество воздуха при n=1.1:

L_д=n*L₀=1.1*1,87=2.06 [м³/м³].

12. Количество продуктов горения:

a) Vсо₂=(СО+СО₂+СН₄+2С₂Н₄+2С₂Н₆+3С₃Н₈+4С₄Н₁₀)*0.01=

(22,7+8,13+12,05+2*0,17+2*0,38+3*0,1+4*0,06)*

*0.01=0.4452 [м³/м³]

б) Vн₂о=(2СН₄+2С₂Н₄+Н₂+Н₂О+3С₂Н₆+4С₃Н₈+5С₄Н₁₀)0.01=

=(2,87+2*12,05+2*0,17+3*0,38+4*0,1+5*0,06+4,6)*

*0.01=0.3375 [м³/м³]

в) VN₂=0,01N₂+nkVо₂=0,01*48,56+1,1*3,762*0,393=

=2.1119 [м³/м³]

г) V^°о₂=(n-1)*Vо₂=(1.1-1)*0,393=0.0393 [м³/м³]

13. Общее количество продуктов горения:

V_пс=Vсо₂+Vн₂о+VN₂+Vо₂=0.4452+0.3375+2.1119+0.0393=

=2.9339 [м³/м³]

14.Состав продуктов горения:

СО₂=(Vсо₂*100%)/V_пс=(0.4452*100%)/2,9339=15.17%

Н₂О=(Vн₂о*100%)/ V_пс=(0.3375*100%)/2,9339=11,5%

N₂=(VN₂*100%)/V_пс=(2.1119*100%)/2,9339=71,98%

О₂=(Vо₂*100%)/V_пс=(0.0393*100%)/2,9339=1.35%

Состав продуктов горения в %:

СО2	Н2О	N2	О2	Сумма
15,17%	11,5%	71,98%	1,35%	100%

15. Теплота сгорания природно-доменной смеси (по заданию): 8[мДж/м³].

Определение количества продуктов сгорания, поступающих в насадку, и его параметров

16. Определяем энтальпию продуктов сгорания;

приймем t_в=20°C, i_в=26.1 [кдж/м³]

==2745.07 [кДж/м³].

Определяем калориметрическую температуру продуктов сгорания. В первом приближении калориметрическую температуру продуктов сгорания принимаем равной t'_кал= 1600°С.

i₁₆₀₀==

= 2630,89 [кДж/м³]

Так как i₀>i₁₆₀₀ , принимаем более высокую температуру 1700°С.

Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре

i₁₇₀₀=2813,52[кДж/м³]

Поскольку i₀ i₁₇₀₀ , то истинную температуру определяем по формуле:

t_кал= t'_кал+

t_кал=1600+=1662,5°С

18. Действительная температура продуктов сгорания:

t_д=t_кал=0.95*1662,5=1579,4°С

t_дн=0.97*1579.4=1532°С

t_д=1500°С

19. Определяем энтальпию продуктов сгорания:

а) на входе в насадку (при t_д=1500°С): i_дн=(3545,34*15.17+2758.39*11,5+2170,55*71,98+

+2296,78*1.35)/100= 2448,41 [кДж/м³].

б) на выходе из насадки (низ). Принимаем среднюю за период температуру уходящих из насадки газов t_дк=250°С:

i_дк=(470,2*15.17+384.46*11,5+327*71,98+339.56*1.35)/

/100=355,5 [кДж/м³]

20. Определяем средний за воздушный период расход воздуха. Принимаем, что пути от верха насадки до печи температура дутья понижается на 20°С.

t_вмин=t_вк+20=1200+20=1220°С.

Эта температура соответствует концу периода нагрева дутья. Для предварительных расчетов принимаем, что в течение воздушного периода температура воздуха понижается на величину t_в=200°С. Тогда средняя температура воздуха на выходе из насадки в течение воздушного периода составит:

t_вкср=t_вмин+ t_в/2=1220+200/2=1320°С.

Этой температуре соответствует энтальпия:

i_вк=1908,18 [кДж/м³].

Согласно заданию на проектирование объем дутья

V_в=195000 [м³/час]. Это максимальное количество воздуха, которое пройдет через воздухонагреватель к концу воздушного дутья периода. Средний расход дутья за воздушный период определим из соотношения:

20. Определяем требуемый расход топлива. Требуемый расход топлива V_г определим из уравнения теплового баланса насадки за цикл её нагрева и охлаждения.

V_гV_пс(0.95i_дн-і_дк)_д=V_вср(і_вк-і_вн)_в ,

отсюда

:

где 0.95 - коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке;

і_вн - энтальпия воздуха на входе в насадку. Температура воздуха на входе в насадку t_вн=170°С (после воздуходувки), что соответствует её энтальпии і_вн=222,65[кДж/м³];

_д и _в - длительность дымового и воздушного периода, час.

Предварительно принимаем _д=2.0 час, а время, затрачиваемое на перекидку клапанов _п =0.1 час. При числе воздухонагревателей п=4 длительность воздушного периода будет равна:

Продолжительность цикла:

=_д+_в=2.0+0.7=2.7 [час].

Расход ПДС:

Расход доменного газа:

V_пс=V_см*0.869=18415*0,869=16003 [м³/ч]

Расход природного газа:

V_кг= V_см*0.131=18415*0.131=2412 [м³/ч]

21. Количество воздуха необходимое для горения топлива:

V_в=L_дV_г=2.06*18415=37935 [м³/ч]

22. Количество продуктов сгорания поступающих в насадку:

V_пс=V_дV_г=2,93*18415=53956 [м³/ч]

Предварительное определение поверхности

нагрева насадки

23. Определяем количество тепла, затраченное на нагрев воздуха:

Q_в=V_вср(і_вк-і_вн)_в=180227(1908,18-222,65)0.7=

=2,1264*10⁸ [кДж/цикл]

24. Средне логарифмическая разность температур °C:

25. Средние за период температуры дыма и воздуха:

26. Средние температуры верха и низа насадки:

а) дымовой период:

б) воздушный период:

27. Определение коэффициента теплоотдачи для верха и низа насадки. Для определения теплоотдачи конвекцией _кд и _кв воспользуемся формулой:

Nu=AReⁿ

Значение коэффициентов А и п : 0.0346 и 0.8 соответственно.

Результаты вычислений приведены в таблице.

28. Примем скорость продуктов сгорания при нормальных условиях W_од=2 м/с. Тогда скорость воздуха при нормальных условиях будет:

29. Действительную скорость продуктов сгорания определяем по формуле:

а) для верха насадки

б) для низа насадки

30. Так как воздуходувка подает воздух под давлением Р=354.5 [кПа], то действительную скорость воздуха для верха и низа насадки найдем по формуле:

,

где Р₀=101.3 кПа, Т₀=273К

а) для верха насадки

б) для низа насадки

31. Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.

Параметры и единицы измерения	Расчет форму ла	Предварительный расчет	Уточненный расчет
		Верх	Низ	Верх	Низ
		Дым	Возд	Дым	Возд	Возд	Возд
Средние за период темпе- ратуры дыма и воздуха		1187,5	1032,5	562,5	457,5	-	-
Коэф. Теплопровод ности *102 вт/мС		12,47	8,32	6,95	5,09	-	-
Кинематический коэф вязкости *106 м2/с		218,7	182,85	87,75	72,63	-	-
Определяющий диаметр канала , м		0,031	0,031	0,031	0,031	-	-
Действительная скорость продуктов сгорания и воздуха м/с		10,7	9,13	6,12	5,11	-	-
Критерий Рейнольдса		1516,69	1547,88	2162,05	2181,05	-	-
Критерий Нуссельта		12,13	12,33	16,1	16,22	-	-
Коэф теплоотдачи конвекций к, вт/м2С		49,48	33,09	36,09	26,63	-	-
Коэф теплоотдачи излучением л, вт/м2С		8,2	-	4	-	-	-
Суммарный коэф теплоотдачи, вт/м2С	к+ л	56,68	33,09	40,09	26,63	-	-

Теплофизические параметры материала насадки

32. Средние температуры верха (динас) и низа (шамот) насадки:

33. Теплофизические параметры материала насадки - теплоемкость С_р, коэффициент теплопроводности в зависимости от средней температуры определяем по формулам:

Динас:

Шамот:

34. Эквивалентная полутолщина кирпича:

V, f₁ , f₂ - живое сечение насадки.

V=0.7 [м³/м³] , f₁=38.1 [м²/м³] , f₂=0.2925 [м²/м³]

(из методического пособия №127)

35. Коэффициент аккумуляции тепла кладкой определяем по формуле:

вследствие преобразований получаем:

а) динас

б) шамот

Теплофизические параметры материала насадки и коэффициент аккумуляции тепла для верха и низа регенеративной насадки.

Параметры и еденицы измерения	Расчет ная формула	Предварительный расчет	Уточненный расчет
		Верх	Низ	Верх	Низ
		Динас	Шамот	Динас	Шамот
Средняя температура насадки,	С	1110	510	-	-
Объемная плотность, ,	кг/м3	2000	2025	-	-
Коэф теплопроводности ,	вт/мС	2	1.11	-	-
Теплоемкость Ср ,	кДж/кгС	1.29	1.08	-	-
Коэф температуропро водност.	а м2/ч	0.00279	0.00182	-	-
Критерий Фурье		22.15	14.45	-	-
Коэф аккумуляции		0.943	0.915	-	-

Так как полученные значения коэффициента аккумуляции тепла _к<1/3, то вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать толщину кирпича и величину коэффициентов, учитывающих различие в температурах кирпича в дымовом и воздушном периодах можно принять _н=5.1 для низа насадки и _в=2.3 для верха. - принимаем равным 1/3.

36. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи:

Тогда суммарный коэффициент теплопередачи для верха насадки:

для низа насадки:

37. Средний коэффициент теплоотдачи для всей насадки:

38. Поверхность нагрева насадки:

39. Объем насадки:

V=F/f₁= 44441/38.1=1166 м²

40. Площадь поперечного сечения насадки в свету:

41. Общая площадь горизонтального сечения насадки:

42. Высота насадки:

Определение изменения температуры воздуха

за воздушный период

43. Теплоемкость потока воздуха:

44. Теплоемкость насадки:

45. Теплоемкость потока дыма:

тогда:

46. Определяем значение условий постоянной времени воздушного периода, т.е. время, в течение которого температура воздуха на выходе из насадки изменяясь с постоянной скоростью, достигла бы значения tґґ=200°С:

47. Определяем изменение температуры на выходе из насадки в течение воздушного периода:

Поскольку полученное значение tґґ мало отличается от принятого при предварительном расчете (tґґ=200°С), повторять расчет нет необходимости:

Кверх	Книз	Кср	F м2	V м3	м2	Fобщ м2	Н м
39,6	38,17	38,9	44441	1166	7,49	25,62	45
Wв кВт/°С	Сн кДж/°С	Wд кВт/°С			mв	Тв час	°С
73	1.95*106	25,5	1	9,5	0,9	4,38	199

Невязка:

(Для повторного расчета разница менее 1%).

Размеры и масса насадки

Принимаем геометрические параметры насадки, полученные в повторном расчете : Н=45м, F_общ=25,62м².

48. Масса кирпича в насадке:

49. Коэффициент стройности насадки:

что удовлетворяет условию равномерного распределения газа по сечению насадки.

50. Принимая скорость продуктов сгорания в шахте горения равной W_до=2.5 м/с, определяем площадь горизонтального сечения шахты:

51. Суммарная площадь горизонтального сечения воздухонагревателя:

F=F_ш+F_общ=6+26,62=32,62 [м²]

52. Диаметр воздухонагревателя по внутренней поверхности кладки:

53. оптимальное время между перекидками клапанов:

54. Оптимальная длительность воздушного периода: