3. Расчет топлива или электроэнергии

Расчет топлива состоит из расчета горения топлива на единицу его и определения расхода топлива или электроэнергии. При расчете горения определяют количество воздуха, потребного для горения, состав и количество продуктов горения, теплотворность, температуру горения. Расход топлива или электроэнергии определяют на основании предварительного теплового баланса печи или практических данных с последующей проверкой по тепловому балансу печи.

Образец

Исходные данные:

Природный газ сжигают в воздухе при содержании кислорода (об.%)-21; с коэффициентом расхода воздуха n = 1,1; газ сжигается в горелках без предварительного смешения.

Рабочий состав топлива (об.%): 93,2 CH₄; 0,7 C₂H₆; 0,6 C₃H₈; 0,6 C₂H₄; 4,9 и 0,0 Н₂О – итого 100,0%.

При расчете горения топлива часто используют табличную форму расчета, основанную на стехиометрических реакциях.

Сжигание метана, основного компонента природного газа, происходит по следующей реакции:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

Из реакции видно, что для сжигания 1 моля CH₄ требуется 2 моля O₂, и продукты сгорания будут состоять из 1 моля CO₂ и 2 молей H₂O. Поскольку моль любого газа занимает один и тот же объем, то вместо молей можно подставить кубические метры.

Так как сжигание происходит в воздухе, то с каждым 1 м³ О₂ поступает 3,762 м³ N₂. Таким образом, для сжигания 1 м³ CH₄ требуется 2+2*3,762 = 9,524 м³ воздуха, а продукты сгорания будут состоять из 1 м³ CO₂; 2 м³ H₂O; 7,524 м³ N₂.

Такие же стехиометрические реакции составляются для всех горючих компонентов, и результаты расчетов суммируются по кислороду и азоту воздуха и компонентам продуктов сгорания. Расчет проводится на 100 м³ топлива. Результаты расчета представлены в таблице 2 Приложения 5.

Низшая теплотворная способность природного газа:

При горении природного газа в воздухе с данным содержанием кислорода энтальпия продуктов сгорания равна:

,

где - объем продуктов сгорания.

= 1127,22 м³, (см. табл.2 Приложения 5).

Т.к. нами принято, что , то формула принимает вид:

Формула для расчета :

.

Энтальпия , кДж/м3
tк ,оС	CO2	H2O	N2	O2
1900	4360,67	3429,90	2646,74	2971,30
2000	4835,10	3889,72	2970,26	3142,76

При t_к´ = 1900ºС равна:

2,94 МДж/м³

При t_к´´ = 2000ºС равна:

3,29 Дж/м³

Калориметрическая температура горения равна:

1950ºС

Действительная температура газов в печи определяется из калориметрической температуры и значения пирометрического коэффициента, учитывающего реальные условия горения топлива в печном пространстве. Для вращающихся барабанных печей пирометрический коэффициент равен 0,7-0,8 [6]. Принимаем его равным 0,75; тогда действительная температура горения равна 1460ºС.

4. Определение основных размеров печи

Определение основных размеров печи состоит из определения длины, ширины и высоты рабочего пространства.

Иногда вместо определения основных размеров печи подбирают типовые размеры печи по каталогам или предложениям заводов - изготовителей.

Размеры печи должны рассчитываться по рекомендованной методике, учитывающей теорию работы печей.

Образец

Исходные данные для определения диаметра печи:

При принятом сравнительно невысоком пылеуносе 20% [10] скорость газов в печи должна быть умеренной. Принимаем 2,5 м/сек.

Производительность печи по глинозему 14 т/ч, что составляет 336 т/сутки. Производительность печи по гидроксиду алюминия составляет (см. табл. 1 Приложения 5.):т/сут

т/сут

Объёмный расход природного газа по данным практики принимаем равным 1275 м³/ч.

Диаметр барабанной печи определяем из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи по формуле:

Время переработки 1000 кг гидроксида алюминия:

час.

За этот промежуток будет сожжено природного газа

м³

Объем отходящих газов при переработке 1000 кг гидроксида алюминия с учетом горения топлива представлен в таблице 3 Приложения5.

Секундное количество отходящих газов составит:

м³/с

Принимая по заводским данных температуру отходящих печных газов 250ºС, найдем среднюю температуру печных газов (1460+250)/2=855ºС, которой соответствует секундный объем печных газов 7,47(1+855/273)=30,86 м³/с.

Находим диаметр печи:

м

и принимаем его равным 3,8м.

По характеру протекающих физико-химических превращений и тепловой работе барабанную печь можно условно разделить на следующие зоны: сушки, дегидратации, прокалки и охлаждения. Рассчитаем размеры каждой зоны, для чего необходимо определить по каждой зоне: теплопотребление материала, состав газовой фазы, скорость движения материала в печи, коэффициент заполнения печи материалом, значения l_x и l_g (длина дуги и хорды) и по условиям теплообмена определить длину каждой зоны.

Приведем расчет зоны сушки.

В зоне сушки удаляется влага, а гидроксид нагревается от 20 до 290°С. Топочные газы, напротив, охлаждаются от 570 до 250ºС. В этой зоне наблюдается максимальный пылеунос - 50 % от всего пылеуноса печи. В расчете принимаем, что из шихты удаляется вся внешняя влага.

На подогрев шихты до 290ºС потребуется тепла:

c_шm_шt_ш=2,54(1000-1000*0,2*0,5-80,64)(290-20)=563МДж

Здесь средняя теплоемкость твердой части шихты определена как средневзвешенная по теплоемкостям составляющих шихты, с учетом пылеуноса и испарения всей внешней влаги.

На нагрев, испарение влаги и нагрев паров воды:

80,64[4,19(100-20)+2260+1,52*22,4/18(250-100)]=232МДж

На подогрев пыли до 250ºС:

МДж

Тепло, отдаваемое пылью, выносимой из зоны дегидратации:

МДж

Тепло, отдаваемое газами зоны дегидратации (объём газов см. в табл. 1 Приложения 5):

МДж

Итого теплопотребление в зоне сушки - 633МДж.

Общий объем газов этой зоны равен объему отходящих газов печи - 878,79 м³ (см. табл.3 Приложения 5). В зоне сушки в газовую фазу переходит 80,64 кг воды из шихты (вся внешняя влага) или 100,4 м³. Средний объем газов в зоне-778,39+100,4·0,5=828,6м³. Содержание CO₂ и Н₂О в газах соответственно составит:

Скорость движения материала в печи (при D=3,8 м; α=2,5^о и n=0,8 об/мин) находим по формуле:

, м/ч

Коэффициент заполнения печи материалом

φ

где А - среднее количество материала, проходящего через зону, т/сут:

А=1/2{1000+(1000-80,64-1000*0,2*0,5)}*336/457,34=668,3.

-3,55 т/м³ (средний объемный вес материала по заводским данным);

φ

Зная коэффициент заполнения поперечного сечения зоны материалом, из геометрической зависимости находим длину хорды l_x=2,01 м и длину дуги l_g=2,12 м.

Длину зоны сушки из-за трудности расчета теплообмена определим по формуле:

,

где: A - производительность печи по шихте, т/сут; и - содержание влаги в исходной и конечной шихте, доли единицы; -время работы печи в часах за сутки; D - диаметр печи, м; - допустимое напряжение рабочего пространства сушильной зоны печи по удаляемой влаге т/м³∙ч (в нашем случае =0,005 т/м³∙ч).

А=1000*336/457,34=734,68 т/сут.

Длина зоны сушки

L=734,68*0,081/(0,005*24*3,14*3,8²)=10,94 м.

Аналогичным образом рассчитываются длины зон дегидратации, прокалки и охлаждения и после их суммирования имеем полную длину печного пространства:

м

Принимаем м