Вращающаяся печь для кальцинации глинозема производительностью по гидроксиду алюминия G=27 т/час

Таблица 2.3

Материальный баланс процесса кальцинации

№  пп	Материал Продукты	Всего		Аl2О3 кг	Н20связ, кг	Na2O кг	Н2Овл кг	Прочие кг
		кг	%
		Поступило
1	Гидроксид	1529	62,95	902,11	489,28	6,12	122,32	9,17
2	Пыль возврата	900	37,05	531	288	3,6	72,00	5,4
	Итого:	2429	100,00	1433,11	777,28	9,72	194,32	14,57
		Получено
1	Глинозем	1000	41,17	590,01	320,00	4,00	80,00	5,99
2	Пыль возврата	900	37,05	531,00	288,00	3,6	72,00	5,4
3	Потери	529	21,78	312,1	169,28	2,12	42,32	3,18
	Итого:	2429	100,00	1433,11	777,28	9,72	194,32	14,57

2.3 Расчет горения  топлива

 

Принимаем, что при сжигании природного газа во вращающейся печи используется горелочное устройство с частичным перемешиванием. Примем величину химического недожога q₃/Q_нp = 2 %. Коэффициент расхода воздуха α= 1,1.

При влажности газа g_H2О =5,1 г/м³ содержание водяных паров в газе равно:

Для метана: ;

Остальных: ;

;

;

;

;

Расход кислорода на горение  будет равен:

;

Теоретический расход воздуха  на горение:

, где k = ;

Действительный расход воздуха на горение:

;

Объемы отдельных составных  продуктов сгорания равны 

;

;

;

;

Общее количество продуктов сгорания:

;

Состав продуктов сгорания равен:

                

Теплоту сгорания топлива определяем по выражению:

Химическую энтальпию продуктов  сгорания с учетом химического недожога вычисляем по выражению:

;

Содержание воздуха в продуктах  сгорания равно 

;

Тогда по " i – t "- диаграмме теоретическая температура горения природного газа составляет t_α = 1920°С

Действительная температура горения  при пирометрическом коэффициенте

 

2.4 Определение  основных размеров печи

Диаметр барабанной печи определяем по формуле D = l,13 , где

D - внутренний диаметр рабочего пространства, м;

Vt – действительный расход газов, равный сумме объемов продуктов сгорания топлива и технологических газов, м³/с;

Wt - скорость движения газов в рабочем пространстве. Ее величину выбирают из условий обеспечения min пылевыносе из рабочего пространства в интервале 4...10 м/с,

При принятом пылевыносе из печи принимаем  скорость движения газов на уровне 10 м/с.

Производительность печи по глинозему составит:

;

Среднее время пребывания шихты  в печи:

;

Объем газообразных продуктов горения  определяем по выражению:

,

где q' - уд. расход теплоты на 1т глинозема. По опытным данным его значение можно принять равным 5650 кДж/кг; m_гл - выход глинозема, т.

;

Общее количество отходящих из печи газов равно сумме продуктов  сгорания и технологических газов (водяных паров плотностью 0,804 кг/м³), полученных при кальцинации гидроксида алюминия (см. табл.3):

;

Секундный расход отходящих газов  с учетом среднего времени пребывания материалов составит:

;

С учетом средней температуры газов  в печи расход отходящих газов будет равен

Тогда в соответствии с формулой

;

 

При использовании двухслойной футеровки, состоящей из высокоглиноземистого кирпича размером 250 мм, слоя тепловой изоляции 30 мм, и толщине стенки кожуха 20 мм:

Общую длину печи определяют как сумму длин отдельных ее зон L_n = Σ L_i , где i=1; L_i - длина каждой i -той технологической зоны.

По длине печь кальцинации можно  поделить на 4 зоны.

Зона сушки - наиболее холодная часть печи. Здесь газы меняют температуру от 250 до 600°С. На протяжении этой зоны происходит полное испарение гигроскопической влаги гидроксида алюминия.

Зона обезвоживания и кальцинации. В ней газы изменяют температуру от 600 до 1050°С. Нагреваемый материал изменяет температуру от 200 до 950°С. В этой зоне полностью удаляют химически связанную влагу, а гидроксид превращается в безводный γ –Аl₂О₃.

Зона прокаливания находится в области горящего факела. На протяжении этой зоны происходит превращение примерно 25-30 % γ –Аl₂О₃ в α –Аl₂О₃. Газы в этой зоне изменяют температуру от 1050 до 1400° С. Материалы изменяют температуру от 950 до 1250° С.

В зоне охлаждения температура прокаленного глинозема снижается с 1250 до 1000° С.

Длину зоны сушки определяют по формуле ,

где G_гл - кол-во глинозема, проходящего через зону в час, т/ч;

W’ и W”- начальная и конечная  влажность гидрата, выраженная  в долях единицы;

ω - допустимое напряжение рабочего пространства сушильной зоны по удаляемой влаге (0,07...0,09 т_\м²·ч);

F - площадь поперечного сечения рабочего пространства печи, м².

Исходная влажность гидрата (по условию) составляет W’ = 8 %. Величину конечной влажности принимаем равной 0.

С учетом способа загрузки (через  загрузочную трубу-течку) напряжение рабочего пространства сушильной зоны по влаге ω принимаем равным 0,05 т/м²·ч.

Длину зоны обезвоживания и кальцинации  определяем по формуле 

, где

G_гл - производительность зоны с учетом изменения массы шихты в результате выделения газов и пылеуноса, т/ч,

Q_л - затраты теплоты в зоне на компенсацию тепловых потерь, эндотермических рекций и физическую теплоту газов и пыли, кДж;

1_X - ширина поверхности слоя материала, м;

1_Д - длина участка закрытой поверхности слоя материалов в поперечном сечении печи, на котором он контактирует с кладкой, м;

q_л - лучистый тепловой поток на материал от газов и кладки, Вт/м²,

q_к - конвективный тепловой поток, Вт/м²;

q_л’ - лучистый тепловой поток от кладки к материалу при их непосредственном контакте, Вт/м².

Производительность печи по глинозему рассчитывается по формуле 

, где m - расход продукта на 1 т исходного материала, определяемый из материального баланса печи, т/ч.

В этой зоне теплопоглощение идет:

• на нагрев шихты до температуры (200+950) / 2 = 575°С (с учетом 25 % пылевыноса):

;

где 0,532 - теплоемкость шихты, кДж/(кг · К );

• испарение влаги и нагрев паров  Н₂О:

;

где 2257 - уд. теплота испарения влаги, кДж/кг;

0,376 · 4,1868 = 1,574 - теплоемкость паров воды, кДж/(моль · К),

• подогрев пыли до 875 °С:

;

• разложение гидроксида алюминия по реакции:

2А1(ОН)₃ = Аl₂О₃ + ЗН₂0 – 2580 кДж ,

;

Где 78 – молекулярная масса гидроксида алюминия,

102 – молекулярная масса глинозема.

В итоге теплопотребление в зоне кальцинации составит:

298314,74 + 725995,62 + 90373,5 + 1779810 = 2894493,9 кДж

Ширину слоя (хорда 1_х) и контактную поверхность его с барабаном (l_q) определим исходя из соотношений размеров сегмента материалов в поперечном сечении участка (рис.2.1) по выражениям:

 ;

;

где α - центральный угол шихты в поперечном сечении печи, который для зоны подогрева может быть принят равным 80...85 град., а для зоны кальцинации 75...80 градусам

Рис. 2.1

Из практических данных принимаем  центральный угол в зоне кальцинации 82,5⁰:

;

;

Эффективную длину лучей газового потока определяем по формуле:

; где

S_ПЕР – периметр свободного сечения печи, м

;

Исходя из практических данных, коэффициент  заполнения печи в зоне кальцинации  можно принять 5...9 %. Принимаем его равным 7,0 %. Тогда

;

Эффективная длина лучей составит:

;

Определим состав газов по зонам.

В соответствии с результатами расчета  процесса горения топлива в продуктах  сгорания 100м^З природного газа присутствует СО₂; 
Н₂О; О₂; N₂ или всего 1142,892м^З. При расходе топлива на процесс около 25 % от веса сухого гидроксида алюминия общий объем газов составит .

В зоне прокаливания общий  объем и состав газов не изменяются.

В зоне кальцинации в газ переходит  связанная вода в количестве 777,28 кг/т, или .

Общий объем газов составит:

285,723 + 967,3 = 1253,023 м^З.

Средний объем газов  равен:

285,723 + 976,3 · 0,5 = 773,873 м^З.

Содержание СО₂ и Н₂О в газах составит:

;

;

В зоне сушки в газы переходит гигроскопическая влага  в количестве

.

Общий объем газов в этом случае равен: 1253,023 + 241,8 = 1494,823 м^З;

Средний объем газов: 1253,023 + 120,9 = 1373,923 м³;

Состав газов в зоне сушки  будет таким:

;

;

Среднюю температуру в зоне кальцинации  находим по формуле логарифмического усреденения между газами и материалом

Принимаем  =1250° С; = 825° С, =575° С, определяем среднюю температуру в зоне кальцинации:

Степень черноты газов находим  по графикам (Л1., рис.5.2...5.4).

При кПа·м и = 1003 °С степень черноты составит = 0,095.

При кПа·м и = 1003 °С степень черноты водяных паров составляет = 0,55, а с учетом поправок на их парциальное давление (pиc.5.4) =1,13 · 0,55= 0,622.

Тогда степень черноты газов  составит

= 0,622 + 0,095 = 0,717.

Степень развития кладки определяется по выражению

; где

F_k - площадь контакта газов с корпусом в рабочем пространстве печи;

F_ш - площадь контакта шихты с газом.

Вычисляем приведенный коэффициент  излучения системы «газ – кладка – материал»:

где ε_M - степень черноты материала, принимаемая равной 0,75.

 

;

Определяем величину лучистого  теплового потока: