СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1. Тема курсового проекта: Вращающаяся печь 5x185м для обжига клинкер по мокрому способу. Топливо – газ тюменский.

2. Содержание проекта: а) расчеты горения топлива и печи по методическим указаниям, спец. расчет – колосниковый холодильник; б) графика – горячий конец печи с холодильником.

3. Особые дополнительные сведения:

Химический состав сырьевой смеси, %

Минералогический состав клинкера, %

Влажность шлама W=36 %

4. При расчете горения топлива принять: W^P=1%; подогрева воздуха 600 ^OC.

5. Тепловой баланс установки составлять без холодильника, принимая температуры:

• окружающей среды 10 ^OC

• клинкера из печи 1100 ^OC

• воздуха из холодильника 500 ^OC

(весь воздух через холодильник)

• отходящих газов 200 ^OC

• потери в окружающую среду 13 ^OC

ВВЕДЕНИЕ

Цементный клинкер получают в основном из мокрых сырье­вых смесей (шламов) с влажностью от 30% до 50% во вращаю­щихся печах, не имеющих запечных теплоутилизаторов. К преимуществам мокрого способа обжига относятся просто­та приготовления сырьевой смеси, легкость достижения однород­ности ее состава, сравнительно небольшие энергозатраты и до­статочно гигиенические условия труда (отсутствие запыленно­сти). Недостатком мокрого способа является повышенный рас­ход топлива.

Вращающаяся печь диаметром 5 м и длиной 185 м конструкции УЗТМ (рис.), состоит из цилиндрического корпуса 1, опирающего­ся через бандажи 2 на опорные ролики 3. Корпус имеет уклон 3,5—4% и вращается со скоростью 0,5—1,2 об/мин. Привод пе­чи двойной и состоит из двух электродвигателей 4, двух редукторов 5, двух подвенцовых шестерен и одного венцового коле­са 6.

В середине печи, на одной из ее опор, устанавливается пара роликов (горизонтально) для контроля за смещением печи вдоль оси (вниз или вверх). Вспомогательный привод включается в ра­боту при ремонтах печи, в период розжига и остановки, когда печь должна вращаться медленно. Шлам подается в питательную трубу 7 при помощи ковшовых или объемных дозаторов, на­ходящихся у холодного конца печи. Со стороны головки 8 в печь подается топливо и воздух; в результате сгорания топлива по­лучаются горячие газы, поток которых направлен от горячего конца печи к холодному—навстречу движущемуся материалу. Для улучшения теплопередачи и обеспыливания газов внутри печи в холодном ее конце размещается цепной фильтр-подогре­ватель 9, создается цепная завеса 10 и устанавливаются теплообменники 11. Пыль, уловленная за печью в результате газоочистки, возвращается обратно в печь. Она транспортируется пневмонасосом в бункер, а из него при помощи периферийного загружателя 12 направляется в полую часть пе­чи, расположенную рядом с цепной завесой со стороны горяче­го конца. Клинкер охлаждается в колосниково-переталкивающем холодильнике 14. На печах длиной 185 м кор­пус в зоне спекания оборудован установкой для водяного охлаждения 15 и центральной системой смазки 16.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЦЕМЕНТНОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

1.1 Расчет горения топлива.

В справочнике находим состав заданного вида топлива на горючую массу и влажность рабочей массы топлива (W^P).

Топливо – природный газ Тюменское месторождение.

Состав сухого газа, %

Сухое газообразное топливо пересчитывают на влажный газ, который подлежит сжиганию. Принимаем содержание влаги 1%.

Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ:

CH₄^вл= CH₄^с ((100-Н₂О) / 100)=95,9 ((100-1) / 100)=94,94 %

Другие составляющие остаются без изменений.

Состав влажного рабочего газа, %

Газ сжигается с коэффициентом расхода воздуха =1,05. Воздух, идущий для горения, подогревается до 600^оС. Для газообразного топлива теплота сгорания определяется как сумма произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество:

Q_н^р = 358,3*CH₄^вл + 634*C₂H₆^вл + 907,5*C₃H₈^вл + 1179,8*C₄H₁₀^вл + 1452,5*C₅H₁₂^вл

Q_н^р = 358,3*94,9 + 634*1,9 + 907,5*0,5 + 1179,8*0,3 + 1452,5*0,1 = 36160 [кДж/м³]

Определяем расход воздуха на горение. В расчетах принимают следующий состав воздуха: N₂ – 79,0% O₂ – 21,0%.

Находим теоретически необходимый расход воздуха для горения природного газа:

L_о = 0,0476 (2*CH₄^вл + 3,5*C₂H₆^вл + 5*C₃H₈^вл + 6,5*C₄H₁₀^вл + 8*C₅H₁₂^вл) =

= 0,0476 (2*94,9 + 3,5*1,9 + 5*0,5 + 6,5*0,3 + 8*0,1) = 9,6 [м³/м³]

Принимаем влагосодержание воздуха d=10 [г/(кг сух.воз.)] и находим теоретически необходимое количество атмосферного воздуха с учетом его влажности:

L_о^’ = (1 + 0,0016*d) L_о = 1,016*9,6 = 9,75 [м³/м³]

Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода =1,05:

L_= *L_о = 1,05*9,6 = 10,08 [м³/м³]

Действительный расход атмосферного воздуха при его влагосодержании d составит:

L_^‘ = (1 + 0,0016*d) L_ = 1,016*10,08 = 10,24 [м³/м³]

Определяем объем продуктов горения:

V_CO2^т = 0.01(CH₄ + 2*C₂H₆ + 3*C₃H₈ + 4*C₄H₁₀ + 5*C₅H₁₂) =

= 0,01(94,9 + 2*1,9 + 3*0,5 + 4*0,3 + 5*0,1) = 1,019 [м³/м³]

V_H2O^т = 0.01(2*CH₄ + 3*C₂H₆ + 4*C₃H₈ + 5*C₄H₁₀ + 6*C₅H₁₂ + H₂O + 0.16*d*L_) =

= 0,01(2*94,9+3*1,9+4*0,5 + 5*0,3 + 6*0,1 +1+ 0,16*10*10,08) = 2,157 [м³/м³]

V_O2^т = 0.21( - 1)L_о = 0,21(1,05 – 1)9,6 = 0,1 [м³/м³]

V_N2^т = 0.01*N₂ + 0.79*L_ = 0,01*1,3 + 0,79*10,08 = 7,976 [м³/м³]

Общее количество продуктов горения:

V_^т = 1,019 + 2,157 + 0,1 + 7,976 = 11,252 [м³/м³]

Процентный состав продуктов горения:

CO₂ = (V_CO2^т *100) / V_^т = (1,019*100) / 11,252 = 9,06 %

H₂O = 19,17 %

O₂ = 0,89 %

N₂ = 70,88 %

Материальный баланс горения:

Определяем теоретическую температуру горения. Для этого находим теплосодержание продуктов горения с учетом подогрева воздуха до 600^оС при =1,05.

По i–t диаграмме находим теплоту нагрева атмосферного воздуха i_воз.=840[кДж/м³]

i_общ.=(Q_н^р/V_^т)+(L_^‘ * i_воз./V_^т) = (36160/11,252)+(10,24*840/11,252)=3978 [кДж/м³]

По i – t диаграмме находим теоретическую температуру горения при =1,05 : t_теор. = 2200 ^оС.

Определяем действительную температуру горения при _n = 0,8.

Расчетное теплосодержание составит:

i_общ.^‘ = i_общ.*_n = 3978*0,8 = 3182 [кДж/м³]

По i – t диаграмме находим действительную температуру горения при =1,05 : t_д. = 1900^оС.

Определим плотность продуктов горения топлива:

_ = (1,019*1,977 + 2,157*0,804 + 0,1*1,429 + 7,976*1,251) / 11,252 = 1,233 [кг/м³]

1.2 Материальный баланс по сырью

Расход топлива определяют по формуле:

б = q / Q_н^р

где q – предварительный расход тепла для данного вида печи (6500 кДж/кг)

б – удельный расход топлива м³/кг

б = 6500 / 36160 = 0,18 кг/кг кл.

Теоретический расход сухого сырья на 1 кг клинкера составит:

М_т^с = 100 / (100 – П.П.П.) = 100 / (100 – 35,47) = 1,55 кг/кг кл.

Практический расход сухого сырья составит:

М_п^с = М_т^с (100 / 99,9) = 1,55 (100 / 99,9) = 1,552 кг/кг кл.

Расход влажного сырья составит:

М_п^w = М_п^с (100 / (100 – W))

М_п^w = 1,552(100 / (100 – 36)) = 2,425 кг/кг кл.

Общее количество уноса материала из печи составит:

М_ун. = n* М_п^с

где n – доля уносимого сырья 2-4%

М_ун. = 0,03*1,552 = 0,047 кг/кг кл.

Количество возвратного уноса составит:

М_ун.^в = ((n – 0,1)М_п^с) / 100 кг/кг кл.

М_ун.^в = ((3 – 0,1)1,552) / 100 = 0,045 кг/кг кл.

По данным химического состава шихты находим содержание в ней карбонатов и углекислоты, % :

CaCO₃ = (CaO*100) / 56 MgCO₃ = (MgO*84.3) / 40.3

CO₂ = (CaO*44) / 56 + (MgO*44) / 40.3

где цифровые величины соответствуют молекулярным массам химических

соединений.

CaCO₃ = (42,35*100) / 56 = 75,63 %

MgCO₃ = (1,46*84,3) / 40,3 = 3,05 %

CO₂ = (42,35*44) / 56 + (1,46*44) / 40,3 = 34,87 %

Количество гидратной воды в сырьевой смеси:

Н₂О = П.П.П. - CO₂

Н₂О = 35,47 – 34,87 = 0,6 %

Материальный баланс по сырью:

1.3 Теоретические затраты тепла на

клинкеробразование

Эти затраты слагаются из теплоты эндотермических реакций разложения исходных сырьевых материалов при нагревании и экзотермических реакций образования клинкерных минералов при обжиге. Применительно к сырьевой смеси из природных глинистых и карбонатных материалов теоретический эффект клинкеробразования вычисляют по следующим затратам:

1. Расход тепла на дегидратацию глинистых материалов:

q₁ = М_Н2О*6886

где 6886 тепловой эффект реакции , кДж/кг кл.

q₁ = 0,01*6886 = 68,86 кДж/кг кл.

2. Расход тепла на декарбонизацию:

q₂ = M_CaCO3 *1680 + M_MgCO3 *816

M_CaCO3 = (М_т^с * CaCO₃) / 100 = (1,55 * 75,63) / 100 = 1,172 кг/кг кл.

M_MgCO3 = (М_т^с * MgCO₃) / 100 = (1,55 * 3,05) / 100 = 0,047 кг/кг кл.

q₂ = 1,172 *1680 + 0,047 *816 = 2007,31 кДж/кг кл.

3. Расход тепла на образование жидкой фазы (поскольку в химическом составе сырьевой смеси содержится Fe₂O, то жидкая фаза железистая и расход тепла на её образование 200 кДж/кг кл.):

q₃ = 200 кДж/кг кл.

4. Приход тепла от образования клинкерных минералов:

q₄ = (C₃S*528 + C₂S*716 + C₃A*61 + C₄AF*109) / 100

q₄ = (55*528 + 22*716 + 8*61 + 12*109) / 100 = 465,88 кДж/кг кл.

Теоретическое тепло реакции клинкеробразования равно:

q_т = q₁ + q₂ + q₃ - q₄ = 68,86 + 2007,31 + 200 – 465,88 = 1810,29 кДж/кг кл.

1.4 Тепловой баланс печи и определение удельного

расхода топлива на обжиг клинкера

Приход тепла:

1. Химическое тепло от сгорания топлива:

q_x = Q_н^р * б

q_x = 36160 * б кДж/кг

2. Физическое тепло топлива:

q_ф = б * i_т

где i_т – энтальпия топлива в интервале от 0^оС до t_т (принимаем t_т=10 ^оС)

q_ф = 12 * б кДж/кг

3. Физическое тепло сырья:

q_ф^с = М_п^с * i_с + М^w * i_w

где i_с – энтальпия сырьевой смеси, кДж/кг

i_w – энтальпия воды , кДж/кг

М^w – влажность сырьевой смеси, кг/кг кл.

q_ф^с = 1,552 * 8,8 + 0,873 * 41,9 = 50,24 кДж/кг

4. Физическое тепло воздуха:

q_ф^в = б(L_n * i_n + L_вт * i_вт)

где L_n и L_вт – количество первичного и вторичного воздуха , м³/кг

i_n и i_вт – энтальпия первичного и вторичного воздуха кДж/м³

q_ф^в = б(0 * 0 + 10,08 * 671,2) = 6765,7 * б кДж/кг

Всего приход тепла:

б(Q_н^р + i_т + L_n*i_n + L_вт*i_вт) + (М_п^с * i_с + М^w * i_w)

36160*б + 12*б + 50,24 + 6765,7*б = 42925,7*б + 50,24

Расход тепла:

1. Теоретическое тепло реакции клинкеробразования:

q_т = 1810,29 кДж/кг кл.

2. Тепло испарения физической воды:

q_исп = М^w * q_исп = 0,873 * 2491 = 2174,64 кДж/кг кл.

где q_исп – тепло на испарение 1 кг физической воды, равное 2491 кДж/кг кл.

3. Тепло, теряемое с клинкером, покидающим печь:

q_к = 1 * i_к = 1 * 1114,3 = 1114,3 кДж/кг кл.

где i_к – энтальпия клинкера при температуре выхода его из печи, кДж/кг кл.

4. Тепло с отходящими газами:

q_отх^г = V_CO2 * i _CO2 + V_H2O * i _H2O + V_N2 * i _N2 + V_O2 * i _O2

V_CO2= V_CO2^т * б + М_CO2 / _CO2 = 1,019 * б + 0,54 / 1,977 = 1,019 * б + 0,27 м³/кг кл.

V_H2O=V_H2O^т*б+(М_H2O+М^w)/_H2O=2,157*б+(0,01+0,873)/0,804=2,156*б+1,1 м³/кг кл.

V _N2 = V _N2^т * б = 7,976 * б м³/кг кл.

V _O2 = V _O2^т * б = 0,1 * б м³/кг кл.

q_отх^г =(1,019*б+0,27)*357,6 + (2,157*б+1,1)*304,4 + 7,976*б*260 + 0,1* б* 267,1=

= 3094,76*б + 458,1 кДж/кг кл.

5. Тепло, теряемое с безвозвратным уносом:

q_ун = М_ун * i_ун = 0,047 * 185,9 = 8,74 кДж/кг кл.

где i_ун – энтальпия сырьевой смеси, уносимой из печи, кДж/кг кл.

6. Потери в окружающую среду через футеровку печи:

q_п = к‘ * Q_н^р * б = 0,13 * 36160 * б = 4700,8 * б кДж/кг кл.

где к‘ – принимаем для длинных печей без холодильника 0,13

7. Потери тепла от механического и химического недожога топлива:

q_н = к‘‘ * Q_н^р * б = 0,005 * 36160 * б = 180,8 * б кДж/кг кл.

где к‘‘ – принимаем для газообразного топлива 0,005

Всего расход тепла:

1810,29+2174,64+1114,3+3094,76*б+458,1+8,74+4700,8*б+180,8*б=

= 5566,07 + 7976,36*б

Приравнивая приход расходу, определяем удельный расход топлива:

42925,7*б + 50,24 = 7976,36*б + 5566,07

б = 5515,83 / 34949,34 = 0,158 м³/кг кл.

Удельный расход тепла на обжиг клинкера:

q_х = Q_н^р * б = 36160 * 0,158 = 5713,28 кДж/кг кл.

Подставляя значение б = 0,158 м³/кг кл. в соответствующие уравнения статей баланса, вычисляем их величины и сводим в таблицу.

Тепловой баланс установки на 1кг клинкера:

Технологический КПД печи:

_тех = (q_т / q_x) * 100% = (1810,29 / 5713,28) * 100% = 31,7 %

Тепловой КПД печи:

_теп = ((q_т + q_исп) / q_x ) * 100% = ((1810,29 + 2174,64) / 5713,28) * 100% = 69,8 %

1.5 Материальный баланс установки

Материальный баланс установки составляют на 1кг клинкера, данные из материальных балансов топлива и сырья.

Материальный баланс установки:

1.6 Расчет производительности печи

Часовую производительность длинных печей мокрого способа производства определяют по уравнению:

П = (5,25 * n * D^1,5 * L * t_ун^0,25) / (1 + (W – 35) * 1,6 / 100) кг/ч

где t_ун – температура отходящих газов, ^оС

W – влажность шлама, %

n – коэффициент, равный отношению полной поверхности теплообмена к

внутренней поверхности футеровки

Для вычисления n определяют общую поверхность футеровки печи (F_ф), цепей (F_ц) и теплообменника (F_т).

Длину цепной зоны вычисляют по формуле:

L_ц = 0,07 * L * (0,1 * L / D – 1) = 0,07 * 185 * (0,1 * 185 / 4,6 – 1) = 39,1 м

F_ц =  * D * L_ц * 3,5 = 3,14 * 4,6 * 39,1 * 3,5 = 1976 м²

F_т = 4 * D * L_т * 1,1 = 4 * 4,6 * 15 * 1,1 = 304 м²

F_ф =  * D * L = 3,14 * 4,6 * 185 = 2672 м²

n = (F_ц + F_т + F_ф) / F_ф = (1976 + 304 + 2672) / 2672 = 1,85

Производительность печи составит:

П = (5,25 * 1,85 * 4,6^1,5 * 185 * 200^0,25) / (1 + (36 - 35) * 1,6 / 100) = 65615 кг/ч

Принимаем производительность рассчитываемой печи 66 т/ч.

7. Выбор пылеосадительных устройств и дымососа

Определим выход газов на 1кг клинкера при н.у., используя данные статьи 4 в расходной части теплового баланса. Он составит:

V_отх^г = V_CO2 * V_H2O * V _N2 * V _O2 м³/кг кл.

V_отх^г = 0,431 + 1,441 + 1,26 + 0,016 = 3,148 м³/кг кл.

Определим плотность отходящих газов:

_t =_ * (273 / (273 + t_ун)) кг/м³

где _t – плотность отходящих газов, кг/м³

_ - плотность отходящих газов при н.у., кг/м³

t_ун – температура отходящих газов, ^оС

_t = * (273 / (273 + 200)) = 0,712 кг/м³

Часовой выход отходящих газов составит:

V_отх = V_отх^г * П * К * (1 + t_ун / 273) м³/ч

где К – коэффициент учитывающий подсос воздуха в установку перед

пылеулавливающими устройствами

V_отх = 3,148 * 66000 * 1,4 * (1 + 200 / 273) = 503971 м³/ч

Определим концентрацию пыли в газах на выходе из печи:

₁ = (М_ун * П * 1000) / V_отх г/м³

где М_ун – общее количества уноса материала из печи, кг/кг кл.

П – производительность печи, кг/ч

V_отх – часовой выход отходящих газов, м³/ч

₁ = (0,047 * 66000 * 1000) / 503971 = 6,155 г/м³

Для улавливания пыли печных газов проектируем жалюзийный пылеуловитель с КПД=0,85 (^‘) и электрофильтр с КПД=0,95 (^‘‘). Принимая КПД запроектируемых к последовательной установке обеспыливающих аппаратов, вычисляем концентрацию пыли на выходе из электрофильтра, она не должна превышать

80 мг/м³.

₂ = ₁*(1 - ^‘)*(1- ^‘‘)*1000 мг/м³

₂ = 6,155*(1 - 0,85)*(1- 0,95)*1000 = 46,163 мг/м³

Учитывая, что скорость движения в электрофильтре 1 – 1,5 м/с рассчитаем по часовому объему отходящих газов размер площади активного сечения электрофильтра:

S = V_отх / (3600 * V_г ) м²

где V_г – скорость движения газов в электрофильтре

S_max = 503971 / (3600 * 1) = 140 м²

S_min = 503971 / (3600 * 1,5) = 93 м²

Таким образом для улавливания пыли печных газов необходим электрофильтр с размером площади активного сечения от 93 до 140 м². Подбираем для установки электрофильтр ЭГА 1-40-12-6-3 с характеристиками:

Число газовых проходов, шт.	40
Активная высота электродов, м	12
Активная длина поля, м	3,84
Число полей, шт.	3
Площадь активного сечения, м2	129,8
Общая площадь осаждения, м2	11250

Для данной печи подбираем 2 дымососа Д-208х2 с характеристиками:

производительность	245000 м3/ч
давление	4000 Па
температура	200 oC
частота вращения	730 об/мин
КПД	70%

1.8 Топливосжигающее устройство

При использовании газообразного топлива выбирают регулируемую газовую горелку. Основные её параметры – сечение (S_г) и диаметр выходного отверстия (D_г) рассчитывают, исходя из скорости выхода газа ₀ = 300 м/с, по формуле:

S_г = (П * б) / (3600 * ₀) м²

D_г = 1,18 * S_г^0,5 м

S_г = (66000 * 0,158) / (3600 * 300) = 0,00966 м²

D_г = 1,18 * 0,00966^0,5 = 0,116 м

Потребное давление газа:

Р = (1,2 * _м² * _м ) / 2 = (1,2*300²*0,58)/2 = 31,3 кПа

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ

2.1 Расчет размеров колосникового

холодильника

Зададимся температурой клинкера, поступающего в холодильник t_k’=1100^oC и выходящего из холодильника t_k’’=50^oC.

Холодильник делим на две камеры. В горячей камере клинкер охлаждают вторичным воздухом, в холодной дополнительным воздухом, который после очистки выбрасывается в атмосферу или частично используется для других целей.

Рис. Распределение потоков воздуха и клинкера в колосниковом холодильнике