Контрольная работа по "Химии"

 

 

 

5. Расчет горения топлива

 

Принимаем, что при сжигании природного газа во вращающейся печи используют горелочное устройство с  частичным перемешиванием. Поэтому  коэффициент расхода воздуха a=1,08, а величина химического недожога составляет q₃/Q_н^р=2%. При влажности газа g^с.г.=10,3 г/м³ содержание водяных паров в газе равно:

 

%

 

Пересчитаем состав природного газа с учетом того, что  в нем содержится 1,47 % водяных паров, в который входит CH₄^с.г., C₂H₂^с.г., C₂H₆^с.г C₅H₁₂^с.г., C₄H₁₀^с.г., N₂^с.г., CO₂^с.г..

 

, %

%

Определим количество чистого кислорода для сжигания кубометра топлива

 

V_O2=0,01[(m+n/4)åC_mH_n], м³/кг.

V_O2=0,01[2×90,06+2,5×2,86+3,5×1,28+6,5×1,08+8*0,098]=1,996 кг/м³.

 

Определим теоретический  расход воздуха на горение

 

L₀=(1+k)×V_O2, м³/м³, k=const=3,76;

L₀=(1+3,76)×1,996=9,568 м³/м³.

 

Определим действительный расход воздуха на горение

 

L_a=L₀×a, м³/м³;

L_a=9,568×1,08=10,339 м³/м³.

 

Найдем объемы отдельных составляющих продуктов  сгорания

 

V_a^CO2=0,01×[ CO₂^в.г.+m×å C_mH_n^в.г.], м³/м³;

V_a^CO2=0,01×[ 0,88+90,06+2×2,86+2*1,28+4×1,08+5*0,098]=1,040 м³/м³;

V_a^H2O=0,01×[ H₂O^в.г.+n/2×å C_mH_n^в.г.], м³/м³;

V_a^H2O=0,01×[2×90,06+2,86+3×1,28+5×1,08+6*0,098]=1, 928 м³/м³;

V_a^N2=0,01× N₂^в.г.+k× V_O2×a, м³/м³;

V_a^N2=0,01×2,26+3,76×1,996×1,08=8,127 м³/м³.

V_a^О2_изб.=(a-1)× V_O2, м³/м³;

V_a^О2_изб.=(1,08-1)×1,996=0,159 м³/м³.

 

Тогда суммарный выход сгорания продуктов при a=1,08 будет равен

          V_a= V_a^CO2 +V_a^H2O +V_a^N2 +V_a^О2_изб.=1,04+1,928+8,127+0,159=11,25 м³/м³.

 

Состав продуктов сгорания равен

 

 

Определим низшую теплоту сгорания газов

 

Q_н^р= 358×CH₄^с.г.+636×C₂H₆^с.г.+913×C₃H₈^с.г.+1185×C₄H₁₀^с.г., кДж/м³;

Q_н^р= 358*90,06+555*2,86+636*1,28+1185*1,08+1465*0,098=

=36066,23 кДж/м³.

 

Химическую энтальпию продуктов  сгорания с учетом химического              недожога вычисляем по выражению

 

, кДж/м³;

 кДж/м³;

 

Содержание воздуха в продуктах  сгорания равно

 

,%

 

Тогда по "i-t" - диаграмме  теоретическая температура горения     природного газа составляет t_a^т =        °С. Действительная температура горения при пирометрическом коэффициенте h_пир=0,8 равна t_д=0,8×     =     °С.

 

 

 

 

 

 

6. Определение основных размеров  печи

 

1. Диаметр барабанной печи, м  определяем из условия оптимальной  скорости движения газового потока в печи

 

.

 

При принятом пылевыносе из печи 20 % средняя  скорость газов должна быть умеренной. Принимаем ее равной 5 м/с.

Производительность печи по спеку составляет 10 т/ч , а по бокситу  равна

 т/час

где m_сп - выход спека из боксита (см. табл. 13).

Среднее время пребывания шихты  в печи может быть определено как

 

t=1/G_сп=1/7,467=0,134 ч.

 

Объем газообразных продуктов горения  топлива определяем из выражения

 

V_д=q¢V_am_cп/Q_н^р

 

где q – удельный расход теплоты на 1 т спека. По опытным  данным можно принять равным 5860 кДж/кг.

 

Тогда м³.

 

Общее количество отходящих газов  из печи равно сумме продуктов  сгорания и технологических газов (см. табл. 15) и составляет

 

V_å=V_Д+V_H2O+V_CO2, м³.

 

В соответствии с данными материального баланса процесса спекания (см. табл. 17)

 

V_å= м³.

 

где 0,804 и 1,97 - плотность  соответственно Н₂О и СО₂, кг/м³.

Расход отходящих  газов с учетом среднего времени  пребывания материалов в печи составит

 

 м³/с.

 

С учетом средней температуры газов  в печи °С общий расход отходящих газов составляет

 

 м³/с.

Тогда в соответствии с формулой (1) м.

Принимаем D = 3,0 м.

При использовании  двухслойной футеровки, состоящей из высокоглиноземистого кирпича размером 250 мм и слоя тепловой изоляции 30 мм при толщине стенки кожуха 20 мм, наружный диаметр печи будет равен D_печи=3,0+0,25×2+0,03×2+0,02×2=3,6 м.

Длину зоны сушки  рассчитываем в соответствии с выражением

 

 

Производительность  печи по шихте составляет

 

G_ш= т/час.

 

Исходную влажность  шихты определяем по данным материального  баланса (см. табл. 17)

 

,

 

а величину конечной влажности  принимаем W"=0.

С учетом способа загрузки (распыл) напряжение рабочего пространства сушильной зоны по влаге принимаем равным 0,08 т/(м²ч). Таким образом, длина зоны сушки составляет

 

м.

 

Определяем длину  зоны подогрева по формуле:

В этой зоне удаляют связанную воду; шихту подогревают до температуры 750 °С. Температуру газов на входе в зону принимаем равной 1250 °С. Унос материала из зоны равен 25 % от общего пылеуноса. Тогда теплоту, поступающую в зону подогрева, затрачивают:

• на нагрев шихты до 750 °С

 

0,96×(322,5– 165,98 – 41,95×0,25)×(750 - 150)=113558,4 кДж=113,558 МДж

 

где 0,96 - теплоемкость шихты, кДж/(кг • К);

• на испарение  влаги и нагрев паров воды

 

11,55×(2257+ )=36945 кДж=39,645 МДж

 

где 0,376×4,1868 - теплоемкость паров воды, кДж/(моль×К);

2257 - удельная  теплота испарения воды, кДж/кг;

• на подогрев пыли до 750 °С

 

0,96×43,84×0,25(750 - 150)=6312,96 кДж=6,31 МДж;

 

• на разложение гидроксида алюминия диаспора и бемита по реакции

 

2Аl(ОН)_з = Аl₂О_з + ЗН₂О - 2580 кДж

57,94×2580 = 149485 кДж=149,485 МДж;

 

• на разложение каолинита по реакции

Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O= Al₂O₃×2SiO₂+2H₂O - 934 кДж

6,71×934 = 6267,14 кДж=6,267 МДж;

 

• на разложение гидрогематита по реакции 

 

Fe₂O₃× 3H₂O= Fe₂O₃+3H₂O - 3840 кДж

5,35·3840= 20544 кДж=20,544МДж.

 

Тепловой эффект обезвоживания  алюмосиликатов принимаем по выражению

 

;

 

где m_1p, m_2p, m_Fe - расходы гиббсита, каолинита и гидроксида железа; M_1p^H2O, M_2p^H2O,M_Fe^H2O - молекулярные массы гибсита, каолинита и гидроксида железа; t_1p, t_2p, t_Fe - температуры протекания соответствующих реакций: 750 -температура газов, выходящих из зоны подогрева. В соответствии со справочными данными устанавливаем t_1p=550°С; t_2p=450°С; t_Fe=400°С. Тогда

 

 

14086,04 кДж=14,086 МДж.

 

В итоге теплопотребление в зоне подогрева составит

Qп=113558+39645,01+6312,96+147485+6267,14+20544+14086,04=347898,15=347,898 МДж

 

Ширину слоя (хорда l_х) и контактную поверхность его с барабаном (1_q) определим исходя из соотношений размеров сегмента материалов в поперечном сечении участка. Из практических данных принимаем центральный угол в зоне подогрева 82,5°. Тогда

 

l_x=D_пsinα/2=3·sin(82,5/2)=1,978 м.

L_q=πD_п*α/360=3,14·5·82,5/360=2,159 м.

 

Эффективную длину лучей газового потока определяем по формуле

 

где S_пер.- периметр свободного сечения печи, м.

 

S_nep= =

=

 

По практическим данным для зоны подогрева можно  принять коэффициент заполнения барабана печи φ= 5,6 - 8,0 %. Выбираем φ = 6,8 %.

 

Тогда м.

S=0.9*4*6.58/5.23=4.53

 

Определим состав газов по зонам.

Согласно данным расчета процесса горения топлива, в продуктах сгорания 100 м³ газа присутствует 104 м³ СО₂; 192.8 м³ Н₂О; 818 м³ N₂; 16.1 м³ О₂.

 Для зоны  спекания состав газов соответствует  составу продуктов сгорания топлива,

 

т. е. СО₂=9.187 %; Н₂О=17,032 %; N₂=72,306 %; О₂=1,422 %.

 

В зоне кальцинации  полностью разлагаются карбонаты. Тогда объем газов от горения  топлива при его расходе 25 % от веса сухого боксита (практические данные) составит 1125·0,25=283.0 м³.

С учетом объема СО₂, выделившегося при разложении карбонатов (см. табл. 15) в количестве 15.47м³, общий объем газов в зоне кальцинации составит 15.47+283.0=298.47 м³. Средний объем газов в зоне кальцинации равен 283.0+0,5·15.47=290.74 м³. Тогда состав газов в зоне кальцинации будет следующим:

 

%;

%;

%

%

 

В зоне подогрева  в газовую фазу переходит 11,23 кг Н₂О из исходной шихты, или 11,23·22,4/18=13,98 м³.

Общий объем  газов в конце зоны подогрева  составит 290,74+13,98=304,72м³.

Средний объем  газов равен 290,74+0,5·13,98=296,99 м³.

Содержание  компонентов в газах зоны подогрева равно :

           %;

%;

%;

%

 

В зоне сушки  в газовую фазу переходит из шихты  внешняя влага в количестве 101,58 кг, или 101,58·22,4/18=126,41 м³. Общий объем газов в конце зоны равен объему отходящих газов, т.е. 126,41+304,72=431,13 м³. Средний объем газов в зоне составляет 126,41·0,5+304,72=367,93 м³. Тогда состав газов в зоне сушки таков:

 

%;

%;

%;

%

 

 

Среднюю температуру газов в  зоне подогрева находим по формуле  логарифмического усреднения между  газами и материалом

 

Здесь t_г^н=1250°С; t_г^к=750°С; t_ш=450°С,

 

      ˚С

 

Степень черноты  СО₂ и Н₂О находим по графикам

При P_СО2S_эф =0,1396·4,53·101,325=61,41 кПа·м

 

t_Г=960°C; ε_CO2=0,2

 

Р_H2OS_эф=0,1858·4,53·101,325=85,28 кПа·м;

t_Г=960°С;  ε΄_H2O=0,35; ε_H2O=1,8·0,35=0,63;

ε_Г=0,2+0,63=0,83.

 

Степень развития кладки в зоне подогрева составляет

 

Вт/(м²·К⁴).

 

Определяем  величину теплового потока излучением:

 

 Вт/м².

 

Средняя скорость движения газов в зоне подогрева  равна

 

м/с;

тогда конвективный тепловой поток составит величину

 

q_k=10,476·1,34(960-450)=7159,298 Вт/м².

 

Средняя температура  кладки составит t_k=(960+273)/2=705°С. Тогда

 

Вт/м².

 

Длина зоны подогрева  составит

 

м.

 

В зоне кальцинации  начальную температуру газов  принимаем t_г^н=1400°С; конечную температуру газов t_г^к=1250°С; температуру шихты t_ш=875°С. Средняя температура газов в зоне равна

 

  ˚С.

 

Средняя температуpa кладки в зоне составляет

 

 t_к=(1320+875)/2=1100 °С.

 

Состав газов  в зоне кальцинации (в соответствии с предыдущими расчетами): 11,60% СО₂; 16,58% Н₂O.

В зоне кальцинации происходит термическое  разложение карбонатов, натриевого алюмосиликата, образование основной массы (до 90 %) алюмината и феррита натрия и  двухкальциевого силиката, появляется небольшое количество жидкой фазы. Температура шихты на выходе из зоны достигает 1000°С, температура газов на входе в зону - 1400 °С. Унос пыли составляет 25 % от общего пылеуноса.

Теплопотребление в зоне кальцинации  по статьям идет:

• на нагрев шихты (спека) до 1000 °С

 

0,88·133,92·(1000-750)·10=294624 кДж=294,62 МДж,

 

где 0,88 - теплоемкость спека, кДж/(кг·К);

• подогрев пыли до 1250 °С