книги из ГПНТБ / Табунщиков, Н. П. Производство извести

В результате для коэффициента теплоотдачи в слое естественных кусковых материалов, отнесенного к температуре поверхности, по­ лучена формула [11

где V0— скорость на свободное сечение шахты при О°С, м/с. Коэф­ фициент Ар для всех кусковых материалов рекомендуется брать рав­ ным 160. Следует заметить, что при охлаждении АР для всех тел боль­ ше, чем при нагревании. Однако использование уравнения (V, 12) затруднено из-за отсутствия значений коэффициента М '.

Как уже отмечалось выше, в зоне обжига при работе на твердом топливе к конвективному теплообмену добавляется передача тепла излучением. В работе [13] приведена следующая количественная оценка коэффициентов теплоотдачи излучением осизл (табл. 13).

Сопоставление значений коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением показывает, что даже при температуре поверхности горящего кокса 1200 °С <хизл на порядок выше ак. Температура по­ верхности куска горящего топлива в реальной печи не замерялась, но, по-видимому, она изменяется в зоне горения от 1200 до 1600 °С.

Однако для оценки доли переданного тепла излучением необхо­ димо учитывать и величину тепловоспринимающей поверхности, участвующей в этом виде теплообмена. Так как содержание твердого топлива в шихте обычно не превышает 8—9%, то при равных разме­ рах кусков материала и топлива доля тепловоспринимающей поверх­ ности может составить примерно 10—20%.

Несмотря на незначительную величину теплоизлучающей поверх­ ности, фактор передачи тепла излучением становится весьма сущест­ венным. Так, если даже принять, что температура поверхности го­ рящего кокса равна температуре газов (а температура кокса выше температуры газов), то с учетом доли лучевоспринимающий поверх­ ности количество переданного тепла в зоне обжига излучением в 3— 5 раз больше, чем конвекцией.

90

ГЛАВА VI

МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ШАХТНОЙ ПЕЧИ

Тепловой расчет печи служит обоснованием ее размеров в зави­ симости от заданной производительности и температуры выходящих потоков.

Ввиду того что реакционная активность извести зависит, в част­ ности, от теплового напряжения в зоне обжига, достаточно регла­ ментировать допустимый съем продукта с 1 м2 сечения печи и по нему определить необходимую площадь сечения шахты.

Потребную высоту слоя кускового материала находят расчетом процесса завершенного теплообмена. Излишняя высота шахты уве­ личивает затраты при строительстве и замене футеровки, а также по­ вышает эксплуатационные расходы вследствие увеличения аэроди­ намического сопротивления слоя шихты. Кроме того, излишняя вы­ сота слоя приводит к появлению резервной зоны, в которой, по ре­ зультатам последних исследований, достаточно интенсивно протека­ ет восстановление С02 до СО.

Высоту рекуперативных зон предлагается определять путем рас­ чета процесса завершенного теплообмена, а высоту зоны обжига — путем расчета совмещенной с ней части зоны горения. При этом предполагается равномерное распределение шихты по поперечному сечению печи. Наличие неравномерности распределения кускового материала вызывает отклонение расчетных величин от реальных.

Расходные коэффициенты получают из материального и теплово­ го балансов печи.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ПЕЧИ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ

И с х о д н ы е д а н н ы е

а) характеристика карбонатного сырья и топлива; б) степень разложения СаС03, о, %; в) коэффициент расхода воздуха (в %):

92

г) потери тепла от механического недожога <7мех, %;

д) потери тепла от неполноты горения углерода qco, %; е) потери тепла в окружающую среду qOKp, %;

ж) температура выходящих печных газов tnr, °С; з) температура выгружаемой извести 4> °С.

Температуру окружающей среды принимаем равной О °С.

Для упрощения расчета мы не учитывали возможность протека­ ния при обжиге вторичных реакций взаимодействия СаО (своб.) с примесями карбонатного сырья (Si02, А120 3, Fe20 3). Как показали проведенные расчеты, максимальная погрешность при таком допу­ щении не превышает 1% прихода тепла.

Расчет ведем на 1 кг СаО. Такой выбор исходной единицы позво­ ляет использовать методику расчета для извести с любым содержа­ нием СаО(своб.) и получать легко сопоставимые результаты.

М а т е р и а л ь н ы й б а л а н с

Удельный расход сухого карбонатного сырья, кг/кг:

и сульфатной серы в рабочей массе топлива, %.

По экспериментальным данным, количество сульфатной серы составляет 0,5S, остальные 0,5S — летучая сера.

Удельный расход воздуха, м3 (здесь и ниже объемы газов приведены к нор­

где C P , HP — содержание углерода и водорода в рабочей массе топлива, %. Из всего количества водорода в топливе 50% связано в виде СН4, 50% выде­

ляется в виде свободного водорода.

93

Удельный выход отдельных составляющих сухих печных газов, м3:

Усо 2 = 0,400 + 0,266-10"2 Кс MgC03 +

на диссоциацию MgC03

Q2 = 273КВMgC03-4,19

425; 273 ккал/кг — тепловые эффекты реакций диссоциации СаС03 и MgCOa со­ ответственно.

Потери тепла с сухими печными газами:

+ ДРЦ7Р-10-2.0,47/п.г] 4,19

Потери тепла с известью:

Qe = KjcA-4,19

94

Потери тепла за счет несгорания летучих веществ топлива:

Q6 = /(£• 10“2-4,19 [(30 000-0,5 + 12 000-2) HP + 2 180-0,5Sp] =

= Я? (390НР+ 10,9SP)-4,19

Прочие потери (от механического недожога, неполного сгорания углерода топлива, в окружающую среду):

Q7 = /C? Q g -102(Ямех + ЯСО + Яохр)

Приравнивая приходную и расходные статьи теплового баланса, решаем по­ лученное уравнение в отношении Л'Р. Подстановка найденного значения К х в

предыдущие уравнения позволяет рассчитать все статьи материального и тепло­ вого балансов печи.

М а т е р и а л ь н ы й и т е п л о в о й б а л а н с о т д е л ь н ы х з о н п е ч и

З о н а п о д о г р е в а

Объем поступающих газов, м3:

где индексы ' — на входе, " — на выходе.

Ввиду незначительного количества кислорода и азота, выделяющихся из топлива в зоне подогрева, поправку на них можно не делать.

Количество выходящего карбонатного сырья, кг:

К . пд = К (1 - 0 ,5 2 - 10-3 M g C O - )

Выход коксового остатка, кг:

К , Пд = К?-КГ2 (сР — 1,5НР + АР + 0.5SP)

Уравнение.материального баланса зоны подогрева:

KJ + + V r< пд р г , пд = K Ci ид + пд + l+.п.г Рс.п.г + Кв . п

В приведенных уравнениях учтены следующие процессы: сушка сырья и топлива, удаление летучих веществ из топлива и диссоциация карбоната маг­ ния. Для упрощения расчета потери тепла в окружающую среду отнесены пол­ ностью к зоне обжига.

Приход тепла с поступающими газами:

Расход тепла с выходящими материалами:

^м , ПД = ( * с. пд Сс + Ат сх) t C' пд

Уравнение теплового баланса:

Qr, ПД — Q m ,ПД+ Q2 + Q3 + Qi

95

В этом уравнении неизвестны две величины: ;'_пд и t'c пд. Для нахождения их можно использовать уравнения (11,14) и (11,15), в которых t№C = t"c пд> tr = ?'_пд и С02 отвечает содержанию двуокиси углерода в сухих печных газах. Совместным решением уравнений находят сначала t'r пд, а затем и 1'м

З о н а о х л а ж д е н и я

Обозначим через у количество топлива (в пересчете на рабочую массу), сго­ рающего в зоне охлаждения. Тогда объем двуокиси углерода определится сле­ дующей зависимостью:

Усо2,охл = 1.867.10-2 Ссгу

где Ссг — сгоревший углерод, %.

На эту же величину уменьшится объем кислорода в выходящем из зоны ох­ лаждения газе. При составлении теплового баланса принимаем постоянными,-

кг/(м2-ч); рнас — насыпная плотность сухого карбонатного сырья (или извести), кг/м3; т — продолжительность теплообмена, ч.

Расход карбонатного сырья на 1 м2 в чдс может быть легко опре­ делен по заданной производительности печи и степени обжига. На­ хождение продолжительности теплообмена возможно по уравнениям, предложенным Б. И. Китаевым:

ло потока газа; а — коэффициент теплоотдачи от газа к поверхности

96

Р а с ч е т в ы с о т ы з о н о б ж и г а и г о р е н и я

Высота зоны обжига может быть определена по длине совмещенной с ней части зоны горения на основе уравнения (111,7):

- ^ = 2,161g^ReM7x

где х — коэффициент разубоживания.

Остановимся на расчете величин, входящих в это уравнение. Средний размер куска топлива (в м) определяется по уравнению

охлаждения и обжига соответственно. В случае обжига мела или из­ вестняка при интенсифицированном режиме параметры газового по­ тока (да, v) при расчете критерия Re находим по среднему составу газа и средней температуре, принимаемой равной 1200 °С. В случае обжига известняка при умеренном режиме температуру принимаем

т о п л и е э (в кг/м3) могут быть приняты в среднем равными следующищим величинам:

Количество топлива, сгораемого в зоне охлаждения, рассчиты­ вается по уравнению (VI,15).

Р а с ч е т т е п л о в о г о н а п р я ж е н и я

Расчет ведется на единицу условной поверхности кусков в зоне обжига. Количество тепла, выделившегося в зоне обжига, <2обж (в кДж), может быть

найдено на основании отдельных статей теплового баланса печи с помощью урав­ нения

Q ' — приход тепла от сгорания загруженного топлива, кДж; Qg — потери теп­

та сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг.

Отсюда рассчитывают тепловые напряжения в зоне обжига:

98

б) объемное, отнесенное к единице объема зоны обжига

где £>сао — съем извести в пересчете на СаО, кг/(м2-ч).

Поверхность кусков карбонатного сырья в единице объема зоны обжига

Искомое тепловое напряжение, отнесенное к единице поверхности кусков, нахо­ дят из уравнения

Так как действительная поверхность кусков, участвующая в теплообмене, будет, в силу ряда неучтенных причин (контактирование кусков между собой, более быстрый прогрев мелких кусков по сравнению с крупными), меньше най­ денной с помощью уравнения (VI,29), то рассчитанное тепловое напряжение сле­ дует относить к единице условной поверхности кусков.

После подстановки значений отдельных величин получаем следующее урав­ нение:

Как показали примерные расчеты, значение (w/v)°Р7 колеблется в пределах 4—5 при резких изменениях исходных величин. Поэтому уравнение (VI,30а) мо­ жет быть упрощено путем подстановки в него постоянной величины — 4,5. В ре­ зультате получаем следующую расчетную формулу:

0обжОсаОЙ°'83р£аж

Если учесть, что величины, характеризующие плотности карбонатного сырья и топлива, а также получающиеся в результате балансовых расчетов, яв­ ляются постоянными в каждом конкретном случае, то тепловое напряжение [в кДж/(м2-ч)] может быть представлено в виде следующей функциональной за­ висимости от съема извести и размеров кусков сырья и топлива:

а) тепловое напряжение изменяется прямо пропорционально производитель­ ности печи;

б) вероятность получения извести с высокой реакционной способностью растет с уменьшением размеров кусков обжигаемого материала или с увеличени­ ем размеров кусков топлива.