книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

Для надежного обезврежива­

ния ваграночных

газов

их от­

водят

из вагранки

и

дожигают

Р и с . 44. Горизонтальный

циклон

д л я о б е с ­

в специальной топке.

Однако

такие

газы

плохо

горят

вслед­

пыливания

газов:

/

— камера;

2 — з а к р у ч и в а ю щ и й

аппарат;

ствие

малого количества

выде­

3

— выход чистых газов

ляемого тепла и поэтому для

надежной

работы

дожигающего

устройства

дополнительно

сжи­

Рис . 45.

Схема

высокотемпературного

нагрева

в о з д у х а

и о б е з в р е ж и в а н и я

газов

ч у г у н о ­

литейных

вагранок:

/ — вагранка закрытого типа; 2

— об еспыливающ ий

циклон д л я г р у б о й очистки в а г р а н о ч н ы х

газов; 3

—

горячая газодувка;

4

— камера с г о р а н и я ; 5 —

т а н г е н ц и а л ь н ы й п о д в о д

в а г р а н о ч ­

ных газов;

6

—

и н ж е к ц и о н н ы е

горелки

п р и р о д н о г о

газа;

7 — подача газа к

в о з д у х о п о д о г р е ­

вателю;

5 —

подача газов в с у ш и л ь н о е

отделение;

9

— в о з д у х о п о д о г р е в а т е л ь

с п а д а ю щ е й

н а ­

садкой;

10

— комбинированный

циклон — водонагреватель; / / — пенный

фильтр; 12

—

дымосос;

13— в о з д у х о д у в к а

Автор

работы

[60] отмечает, что нет данных о том, что внедрение этого спо­

соба в практику

где-либо увенчалось успехом. Как видно из предыдущего, решения

отыскиваются в первую очередь для теплообменников

небольшой

производитель­

ности.

нагревать V =

П р и м е р .

Для доменной печи 2000 м 3

требуется

3650 м3 /мин

или 219 000 м3 /ч воздуха при давлении р =

4 кГ/см2 в теплообменнике с кипящим

слоем шариков

d =

5 мм с плотностью

материала р =

3500 кг/м3

при средней его

теплоемкости с = 0,18 ккал/(кг-град).

Расчет проводим

по средней

температуре

материала

610° С.

Критерий

Архимеда

Аг =

ё<*1

р т — Рв

9,8Ь0,0053

3 5 0 0 - 2,15

= 5,72-10е.

Рв

(19,4-Ю-")2 '

2,15

Здесь р в

— плотность

воздуха при физических

условиях

р в

= Р о 7 7

• % =1 , 2 9 3

^ Т 1 • 1Т0Т273 =2>15 к г / м 3 '

v p — коэффициент

кинематической

вязкости,

равный

v

96,8-10-6

= 19,4-10-в

м2 /сек,

Р

4 +

где р — абсолютное давление

воздуха,

ата.

Начало псевдоожижения

характеризуется

критерием

Re

6L

_

=

5 - 7 2 - ' 0 6

К Р

V P

1400 + 5,22 VАг

1400 +

5,22

V5,72-106

Вынос насадки происходит при

ReKV

=

=

=

5

' 7 2

; ° ^

= 3860.

к р

v p

1 8 + 0 , 6 1 ^ / -

18 +

061 V5,7210е

Оптимальную

скорость

находим

из

условия

# е о п

т = 0,0725Лг0 '6

=

0,0725 (5,72-106 )0 '6

=

820;

Reomvp

820-19,4-Ю-6

,

W™

= —

I

T ^

0^005— = 3

' 4 М / С 6 К -

Определяем диаметр воздушной камеры теплообменника.

Секундный

объем

газов,

приведенный

к физическим

условиям

у

_

Умни

Ро

Тср

3650

1

610 +

273

_

° м / с е к ,

К с

е к

~

60

р

^

60

^

273

-

4

п

~л/~

4 ^ с е к

" |

/

4-40

(вместо D = 9 м для одного

каупера).

Необходимое

число

ступеней

определяем из условия, что насадка нагревается

в газовой камере до 1400° С, при условии

сжигания

газа

в слое, а охлаждается на­

садка в воздушной

камере до 200° С.

Степень противоточности камеры определим, исходя из необходимой степени

регенерации:

„ _

Ъ~*М.

-

1

4 0

0

~

2 0 0

-

0 87

-

"1 -

~

1400 -

20

- и

-

с /

По данным работы

[17] этой

степени

противоточности

при отношении водяных

эквивалентов Wr/WT=

1 соответствует

шесть

ступеней.

Принимая равный перепад температур в каждой ступени, в газовой камере при

шести ступенях температура

уходящих

газов будет

составлять

, y x . r

=

i

4

0

0 -

2

0

0

+

200 =

400° С.

Расход

промежуточного

теплоносителя

м

.._ Уз (/» -

Ii)n_

219000(418- 4,8)1,5

_

Здесь R = -rr=5

соотношение водяных эквивалентов

воздуха и насадки.

Коэффициент

теплоотдачи

по формуле (IV.33)

а = ^

k

. =

- ^ - 0 1

3 1 6 ^ ° ' 8 = - J ^ l -

0,316-1000°'8 = 790 ккалДм^-ч-град).

dT

'

0,005

Температурный

перепад между воздухом и насадкой

'в — 2

1400— 1200 — 2

А ' С Р =

,

=

, 1 4 0 0 - 1200

= 4 3 г р а

Д '

F

_ 219(418 - 4,8) Юз

_

f T

=

Ш ~ ~

ТбТМЗ

2 2 0 0 М

*

где / 2 и / х

— энтальпия воздуха на входе и на выходе из аппарата.

Общая

толщина

слоев

„

Fjd

2200-0,005

ffl=W-

= 0,785.16-6(1 - 0 , 4 )

= ° ' 2 5 м = 2 5 0 М М -

- 4 — " С 1

— е о)

Масса насадки,

распределенной по решеткам

G =

р т Я 0

JID2

(1 -

е„) = 3500 0,25

314.42

(1 — 0,4) = 6650 кг.

*

Сопротивление воздушной и газовой камер

^ w 2

e

w^-2 = 1500Kr/M3-

4

М?кНобщ

_

2 о5,5.20 _

~ Ю 2 Л д в + п е г Г ~

102-0,8 -

5 0 , 3 К В Т -

Исходные

данные:

Подогрев воздуха от 20 до 700° С в количестве

10 150 м3 /ч.

Насадка

из прутков

легированной

стали диаметром 4 мм.

Шаг

4а- =

1,5;

• =

1,24.

В

качестве топлива

применяем

природный

газ

с

теплотой

сгорания

QCH =

= 8000

ккал/м3

следующего

состава,

%

(объемн.):

85,9 СН4 ;

2,5 С2 Н„;

1 С 3 Н 8 ;

0,5 С 4 Н 1 0 ;

0,03 С В Н 1 2 ; 0,07 С 0 2 ; 10 N 2 . Для расчета

горения

воспользуемся

методи­

кой

гл. V I I .

Теоретический расход воздуха, необходимый для полного сгорания топлива,

составит:

и° =

0,0476

0.5СО + 0,5Н2 + 2СН4

+

^ ]

( т

+ ~ г ) С " » н " +

1,5H2S — O s

: 0,0476

85.9-2 -4- ( 2 +

- | " ) 2,5 +

( З +

1,0 +

( 4 + J f ) 0 , 5 + ( 5 + - ^ ) 0 , 03

=

8,8

м 3 /м 3 .

Принимаем избыток воздуха а = 1,1.

Объем сухих дымовых

газов при нормальных

условиях

и с . г = у Ш 2

+ » N , + ( < * - ! ) » ° .

где

объем

сухих

трехатомных

газов

vROz

— vcoz

+

vsos

v R 0 2

= 0,01 [CO + CH 4

+ 2 mCmHn

+ H2 S + C02 ] =

= 0,01 [89,5+ 2-2 5 +

3-1 +4 - 0,5 +

5-0,03 +

0,07] =

0,961

м 3 /м3 .

Теоретический объем

азота

10

0,79v° + •

100

=

0,79-881 +100

7,05

м 3 /м 3

Объем

сухих

дымовых

газов

vc. г

=

0,961 +

7,05 +

(1,1 — 1) 8,8 =

8,89

м 3 /м 3 .

Объем

водяных

паров

v н г о = 0 , 1

Н 2

+

2СН4 +

^ Т " С

« Н

»

+ H

2 S

+

° ' 1 2 Н

= 0,01

2.85,9 +

^ - 2 , 5 +

- ^ - !

10

0,5

12

0,03

2,01 м 3 /м 3

Общий

объем

дымовых

газов

v° = УС .Г + v H i Q

= 8,89 + 2,01 = 10,9 м3 /м3 .

Тепловой

баланс

воздухоподогревателя

и расход

топлива

Количество тепла, необходимого для нагрева 10 150 м3 в 1 ч воздуха от tB =

= 20° С до t"B

=

700° С, равно:

Q B = vB

(Гв

— l'B) = 10 150 (233 — 20) = 2,16-106 ккал/ч.

Здесь /

и Iв — начальная и конечная энтальпия воздуха (из таблицы работы

[7 ] .

Расход

топлива

определяем

по формуле

В= Q b + Q o c ,

( I V . 8 6 )

где

QB •— расход тепла на нагрев

воздуха,

равный

2,1610Е ккал/ч;

Q0 с

— потеря тепла в окружающую среду (принимаем

10% от QBB), Q0 с

=

=

0,216-106 ккал/ч;

% . т — коэффициент использования

топлива

в рабочем

пространстве

Ли. т = 1

<7х. н + Ян. н ~Г" Л>. г .

qx

н

— потери тепла от химического

недожога

(принимаем 1% от Qjj), <7Х н

=

=

8000-0,1 = 80

ккал/м3 ;

^о . г — потери тепла с отходящими газами (температуру отходящих газов

берем

to.r = 200° С).

Энтальпия отходящих

газов

при t0, г =

200° С:

' о . г = f о. гСо. Л . г =

10,9-0,32-200 = 700

ккал/м3 .

_

Пи.т

,

80 + 700

. _„

Тогда

=

1

8 0 0 0 - = 0.92.

Расход

топлива

составит

_

=

2,16-108 + 0,216-10°

„ 0 0

в

вожоде

= 3 2 2 м/ч-

равной

1000° С. Для понижения температуры топочных газов до 1000° С огранизуют

рециркуляцию

газов, для чего отработавшие газы с t =

200° С возвращают в смеси­

тельную

часть

топки.

Количество возвращаемых газов v0o-p определяем по формуле теплового баланса

смешения

с см^см — с о б р ^ о б р

8000 • 0,92 + 8,8 1,1 0,311 -20— 10,9-0,346-1000

0,364-1000 —0,329-200

~

=

11,7 м 3 /м 3 газа.

(IV.87)

VL

= »? +

у о б Р

=

10,9 +11.7== 22,6

м3 /м3 .

Часовой

объем

газов, проходящих через

воздухоподогреватель

Vm

=

v°cuB

=

22,6 • 322 = 7260 м3 /ч.

Определяем физические константы газа и воздуха для средних значений темпе­

ратуры:

для

газов tr

=

' г + ' г

1000

4

200

„ Л п о

„

— — g — —

2"

=

'

для воздуха tB =

*в +

С

=

700 +

20

о

с

п

о -

^

^

= 3 6

0

С.

Среднюю

температуру насадки

определяем

приблизительно

t a

= h + h L =

6

0 0

+

3

6

0

_

480°С.

По таблицам

работы

[7] для

газа

принимаем:

коэффициент

теплопроводности

Л.г

=

6,38• Ю - 2

ккал/(м-ч-град);

коэффициент

кинематической

вязкости

v r =

93,61 • Ю - 6

м2 /сек;

плотность

газов

р г

=

0,405

кг/м3 ;

удельную теплоемкость

с г

=

0,345

ккал/(м3 -град);

критерий

Прандтля

Ргг

=

0,62.

Для

воздуха

берем:

Ав

=

4 , 2 7 - Ю - 2

ккал/(м-ч-град);

v B = 56,9610"в

м2 /сек; р Е

=

0,558 кг/м3 ; с в = 0,322 ккал/(м3 . град); Ргв

= 0,676.

Принимаем действительную скорость газа и воздуха, отнесенную к фронтальному

сечению (без насадки), соответственно wr

=

3 м/сек

и % = 4

м/сек.

Эквивалентный

диаметр

ходов

определим

по

формуле:

й э =

(4"S l 0 T H S 2 0 T H

- l)dr

=

( " з Т Г 1

, 6 ' 1

,

2 5

- 0 4 1 0 "3 =

=

5,52- Ю - 3

м =

5,52

мм.

Отношение живого сечения к фронтальному

а =

1 — l/s 1 0 T H =

1 —

1/1,5

= 0,332.

Действительная скорость газов в узких

каналах

насадки

составит

w'r

=

wr/a

=

3/0,332 =

9,03

м/сек.

Действительная

скорость

воздуха

соответственно:

w's

=

wja

=

4/0,332 =

12,0

м/сек.

Определим

число

Rer

для

газа

и

воздуха:

р

_

_

_

_

9,03-5,52-Ю-3

_

ыг,

W r

________

w'dr

12,05-5,52-Ю-3

=

67,2-10-

=

П 6

° -

Коэффициент теплоотдачи

от газа к насадке ссг и от насадки к воздуху а в опре­

делим из

выражения

для

критерия

Nu

Nu — - ^ р _ , Г де

=

cRePr1'3.

Nur=cRePr1/3

= 0,022-532-0,62'/» = 9,95;

Л/ыв

= 0,0181160

0,6761 / з = 18,35,

NurXx

_

9,95-6,38-Ю-2

115

ккал/(м2

-ч-град).

4

5,52-10-3

NuBX2

18,35-4,27-Ю-2

=

—

5 Г

-

=

'5,52-10-'

= 1

4 2

к к а л / ( м 2 - ч

- г

Р а Д ) -

Примем долю

поверхности, омываемую газами, х, =

0,55,

воздухом х2

— 0,45-

Тогда

коэффициент

теплопередачи от газа к воздуху

составит:

k =

j

—

—

—

j

—

j

—

—

—

j

— — =

32,5

ккал/(м2 -ч-гра

ад

^'

ад

115-0,55

^

145-0,45

Определим

критерий Био

_

adT

115-5,52-Ю-з _

s ' ~

2X7

2Л^о

0,016<0,1,

где Ат — коэффициент теплопроводности жароупорной стали,

А т = 19 ккал/(м- ч- град).

Следовательно,

имеется

квазистационарный

прогрев,

т. е.

насадка

как

бы не

имеет внутреннего

сопротивления.

Активная

поверхность

всей насадки

где At6 =

1000 — 700

=

300; Д / м = 200 — 20 = 180 град,

. ,

3 0 0 -

180

O Q .

2 31е

—

^'^ J g

180

Определение

размеров

насадки

Число

прутков

в 1 м3 насадки

1

1

1

1

s,

s,

4 - Ю - 3

4 - Ю - 3 =

33400.

Объем, занимаемый прутками в 1 м3

Jtd2

,

=

я

-

1

1

л

„„„

1

1

»2ас = « ' - г 1

-f

г -

т ~ =

° ' 7 8 5

г в

т к = ° ' 4 1 8 м 3 / м 3 -

^

^

Л 10ТН

Л 20ТН

l)°

l,6U

Порозность

насадки

е =

1 - у ° а с

=

1 -

0,418 =

0,582.

f

2УГ

273 + tr

2-7260

873

2

' г

ЗбОО^г

273

~ 3600-9,03

273

'

"

f

21/в

2 7 3 + / в

2-10 150-633

2

' в

360toB

273

3600-12,05-273

*

'

Принимаем

б =

90 мм.

стка

Поверхность вращающегося цилиндра (ротора) с учетом уплотнительного уча­

Н =

Yi f<s>m = 7,5

м2 -1,25 =

9,38 м2

( т ~ 1 , 2 5

— коэффициент,

учитывающий

промежутки).

Основные размеры ротора (средний диаметр Dcp

и высоту L) определим из фор­

мулы

Н =

nDcpL.

Принимаем

L/Dcp

=

1,25, тогда

получим

9,38= 3,14-1,25Z^p ;

D c p =V2^38 =

1,55

м.

D c p

=

1550 мм;

L =

1940 мм.

Минимальное число оборотов определим из теплового баланса

воздухоподогре­

вателя

^ н а с = п Дг„<р„= WB

Atr

(AtH = средний, температурный

напор).

д,

*'г +

('в

С +

1000 +

700

200 +

20

„„_

Д'н =

— g — '

2

=

¥

"Г

= 7

4 0

г

р

а д

'

№ н ас — водяной эквивалент

насадки

GHaccH =

2200-0,135 =

297

ккал/град,

WB

— водяной

эквивалент

воздуха =

VBcB =

10150-0,322 =

3270

ккал/град;

ф н

— коэффициент

сохранения

тепла 0,98.