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

;

где Т_г, Т_м – средние температуры газов и материала в пределах зоны;

Средняя скорость движения газов в зоне кальцинации равна:

; где

F - поперечное сечение рабочего пространства печи, м²;

F_м - площадь сечения, занятого в печи материалом, м².

Тогда определим конвективный тепловой поток:

;

Средняя температура кладки составит T_к = = 789° С. Тогда в соответствии с выражением;

, где Т_кл - средняя (по рассчитываемой зоне) температура кладки, К.

Определяем тепловой поток от кладки к материалу:

;

Учитывая определенные выше величины и воспользовавшись формулой, рассчитаем длину зоны кальцинации:

;

Протяженность зон прокалки и охлаждения рассчитываем по необходимому времени  пребывания шихты и глинозема  в печи по формуле L = ω_м·τ. Принимаем для зоны прокалки τ_пр = 0,4 ч, а для зоны охлаждения τ_охл = 0,25 ч.

Скорость движения материалов находим  по формуле

, где γ - угол наклона, n - скорость вращения печи, об/мин, β – угол естественного откоса материалов (для зоны спекания sinβ = 0,75...0,85; для зоны охлаждения sinβ = 0,7...0,75).

Примем γ = 2,5 %, скорость вращения печи n = 1,0 об/мин.

Пусть синус угла естественного  откоса материалов в зоне прокалки составит 0,8, а для зоны охлаждения - 0,72

Тогда скорость движения материалов в зоне прокалки равна

;

а в зоне охлаждения

;

Следовательно, L_пp = 15,63 · 0,4 = 6,25м, L_oxл = 17,36 · 0,25 = 4,34 м.

Полная длина печи составит 5,18 + 51,31 + 6,25 + 4,34 = 67,08 м.

Принимаем длину печи равной 67 м.

 

2.5 Тепловой баланс печи  кальцинации

 

Расчет теплового баланса ведем  на 1 т Аl₂О₃.

1. Статьи прихода

1.1. Теплоту от сгорания топлива определяем из расчета горения топлива: кВт/ч:

, кВт.

1.2 При использовании колосникового холодильника воздух подогревается до температуры 300 ⁰С. Тогда физическую теплоту воздуха, кВт, определяем по формуле:

;

где С_в - средняя теплоемкость воздуха, кДж/ (м³ · К); t_B - температура подогретого воздуха,⁰ С.

1.3. Физическая теплота шихты составляет:

;

1.4. Учитывая, что в готовом глиноземе содержится 30 % α-Аl₂О₃, определим тепловой эффект экзотермической реакции превращения γ-Аl2О3→α-Аl₂О₃+92110 кДж/т (Н°-величина теплового эффекта реакции при стандартных условиях: Р = 0,1 мПа, Т = 298 К, кДж/моль):

;

Общий приход теплоты в печь составит:

35612,57B + 4102,8В + 119992,6 + 27633 = 39715,37В + 147625,6

2. Статьи расхода:

2.1 Физическая теплота глинозема при температуре 1000^оС составляет:

= 0,841500 ∙ 1000 ∙ 1000 = 841500 кВт,

где m_гл - масса материала, нагреваемого в единицу времени, кг/с (табл.3).

2.2. Физическая теплота пыли равна:

= 900 ∙ 0,9 ∙ 250 = 202500 кВт;

2.3. Теплота эндотермических реакций разложения Аl(ОН)₃ и испарения внешней и кристаллизационной влаги в соответствии с п.2.2 и табл.3 составляет:

; где

Q_мат - затраты теплоты на нагрев высушиваемого материала до температуры сушки, кВт;

2257 - удельная теплота испарения влаги, кДж/т;

Q_исп - затраты теплоты на испарение влаги, кВт;

Q_вл - затраты теплоты на перегрев испаренной влаги до температуры печи, кВт.

Q_энд = 1779810 + 2257 ∙ (194,32 + 777,28) = 3972711,2 кВт.

2.4. Теплота отходящих газов равна

где С_д - (Л1 табл. 4.2 для 1000° С);

 

2.5. Определяем потери теплоты через стенки в окружающую среду принимаем:

• в зоне сушки температура материала на входе составляет 40^оС, на выходе 200°С, в среднем °С;

• температура газов на входе в зону сушки составляет 600°С, на выходе 250° С, в среднем °С.

Потери теплопроводностью через  цилиндрическую стенку для каждого  из температурных участков имеет  вид:

; где

t_п - температура в рабочем пространстве печи, ^оС,

a_вн - коэффициент теплоотдачи от печных газов к внутренней поверхности кладки, кВт/(м² ∙ К);

a_н - то же от наружной поверхности кладки к окружающему воздуху.

Принимаем равным 16,0 Вт/(м² ∙ К), = 0,06 (м² ∙ К)/Вт;

l_i - коэффициент теплопроводности материала соответствующего слоя, Вт/(м ∙ К);

F_кл - среднее значение поверхности кладки, м²;

F_кл = 0,5 (F_кл+F_кл);

S/λ - тепловое сопротивление стенки. Принимаем равным 0,163;

S - толщина стенки,

λ_i - коэффициент теплопроводности материала соответствующего слоя стенки. Для каррборундового легковеса принимаем равным 1,5337 Вт\(м. К) (Л1 табл.4.5); n - количество слоев в стенке барабана;

t_вн, t_нар - температура внутренней и наружной поверхностей, ^оС;

, r_i - наружный и внутренний радиусы слоев.

Тогда общее количество теплоты в зоне сушки составит:

;

В зоне обезвоживания и кальцинации  принимаем:

• что температура материала на входе составляет 200°С , на выходе 950°С, в среднем = 575°С;

• температура газов на входе в зону составляет 1050°С, на выходе 600°С , в среднем (1050 + 600) = 825°С.

 

Тогда:

; 

В зоне прокалки принимаем:

• температура материала на входе составляет 950 °С, на выходе 1250° С, в среднем =1100° С;

• температура газов на входе в зону составляет 1400 °С, на выходе 1050° С, в среднем 1225° С.

Тогда потери теплоты в окружающую среду в зоне прокалки составят:

;

В зоне охлаждения принимаем:

• температура материала на входе составляет 1250 °С, на выходе 1000 °С, в среднем °С;

• температура газов в среднем по зоне составляет 300 °С.

Тогда:

;

В итоге потери теплоты в печи за счет теплопроводности составляют:

;

Потери тепла излучением через  торцы печи в сторону холодной головки определяем по формуле:

; где

Т_г.max - температура зоны, в которой горит факел;

T_гол - ориентировочная температура головки, принимаемая равной

0,5 ∙ (t_в + t_мат) + 273 К;

С₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт ∙ (м ∙ град);

F_бар - площадь поперечного сечения барабана;

Ф - коэффициент диафрагмирования.

Поскольку последняя зона, где горит факел, это зона прокалки, имеющая максимальную температуру газов 1400 °С, то Т_mах=1400+273=1673К. Определим температуру холодной головки по формуле:

; где  

t_мат^к - температура выгружаемого из печи материала, ^оС

t_в - изменение температуры за счет продольного лучистого теплопереноса из высокотемпературной зоны в головку, ^оС

Принимаем в первом приближении:

К;

  Тогда:

;

  С поправкой на ∆t_луч получим

;

При внутреннем диаметре печи 2,66 м и длине зоны охлаждения 4,34 м коэффициент диафрагмирования по графику равен 0,38.

Тогда:

;

Расход теплоты равен:

Составляем уравнение теплового баланса:

Часовой расход топлива составит

В_t = В ∙ G_гл = 155,4 ∙ 17,66 = 2744,364 м³/ч.

Итоговый тепловой баланс представлен  в табл. 2.4.

 

Таблица 2.4

Тепловой баланс печи кальцинации производительностью 

по гидроксиду алюминия 27 т/ч

 

№	Приход теплоты	кВт/ч	%	№	Расход теплоты	кВт/ч	%
1	Теплота от сгорания топлива	5534193,39	87,6	1	Физическая теплота глинозёма	841500	13,3
2	Физическая теплота воздуха	637575,12	10	2	Физическая теплота пыли	202500	3,2
3	Физическая теплота шихты	119992,6	1,9	3	Теплота эндотермических реакций	3972711,2	62,9
4	Теплота экзотермических реакций	27633	0,5	4	Теплота отходящих газов	1040459,14	16,5
	Итого:	6319394,11	100,0	5	Потери теплоты в окр. Среду	261467,45	4,1
					Невязка	758,32	-
					Итого:	6319394,11	100

 

Удельный расход условного топлива  определяем по выражению:

кг условного топлива/т глинозема.

  Коэффициент полезного действия  печи определяем по формуле:

;

             где Q_глин - полезно затраченная теплота процесса;

             Q_{прихода} - приходная часть теплового баланса печи.

.

 

3. РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА

 

Рекуператорный холодильник представляет собой группу барабанов, расположенных вокруг загрузочной части вращающейся печи, которые непосредственно прикреплены на ее корпусе. Такого типа теплообменники работают по тому же принципу, что и барабанные холодильники, установленные отдельно от печи. Их отличительная особенность заключается в том, что практически весь воздух, засасываемый в печь, участвует в охлаждении готового продукта благодаря полной герметизации сопряжения барабанов печи и холодильника.

Расчет рекуператорного холодильника:

По производительности по глинозему  равной 17,66 т/ч.

1. Общий расход воздуха:

;

2. Действительный расход воздуха,  проходящего через холодильник,  составляет 65% от общего расхода  воздуха, поступающего для горения:

;

3. Скорость воздуха в холодильнике  составит:

;

4. Тепловой поток, переданный в холодильнике, рассчитываем по формуле:

;

5. Параметры холодильника при  L_X=4,6D_X;

;

;

D_X=0,914 м; L_X=0,914 · 4,6= 4,2 м.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В мире накоплен значительный опыт конструирования и эксплуатации печей различного назначения. Большое разнообразие конструкций печей, применяемых в промышленности, обусловлен прежде всего чрезвычайно широким спектром технологических процессов, осуществляемых при производстве и дальнейшей тепловой обработке разнообразных материалов. Диапазон рабочих температур может изменяться в широких пределах. Вот почему при выборе конструкции и исходных данных, необходимых для расчета промышленной печи, следует прежде всего учитывать особенности технологического процесса, осуществляемого в данном агрегате.

Основное назначение металлургической печи состоит в том, чтобы создать  в рабочем пространстве, изолированном  от окружающей среды, наиболее благоприятные  условия для реализации соответствующего технологического процесса, при этом необходимо учитывать закономерности, характеризующие процесс теплогенерации, механизм движения газов и теплообмен. Необходимо принимать во внимание взаимосвязь между условиями работы данной печи и условиями работы огнеупоров; возможность внутрипечного пылеосаждения или создание надежных систем очистки отходящих газов от пыли и т.д. Надежно работающая печь с экономным и рациональным использованием ее тепловой мощности является той базой, на основе которой можно решить практически любые технологические вопросы.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Теплотехнические расчеты печей глиноземного производства: Учебное пособие для вузов/ С.Н. Гущин, С.Г. Майзель, В.И. Матюхин, В.А. Гольцев. Екатеринбург: УГТУ, 2000.-230с.