Шахтная печь для обжига извести Пр. = 100 тыс. м2/год

Ввиду малого содержания карбоната магния в известняке при расчете времени обжига последнего в печи это содержание не учитывают.

Количество  теплоты, переходящей от среды к  телу, зависит от температурного перепада, площади тела, времени соприкосновения фаз и коэффициента теплопередачи К, выражающего число ватт, переходящее в 1 с через 1 м² площади при разности температур 1^оС:

 

где α – коэффициент теплоотдачи от газа к известняку, Вт/(м^2оС)

      δ  – толщина подогреваемого слоя  куска известняка, равная радиусу  куска r, м;

      λ  – теплопроводность известняка, Вт/(м^2оС).

Принимаем следующие  значение α/ Вт/(м^2оС): для зоны нагрева α_н = 13,96; для зоны обжига α_об = 20,93 и для зоны охлаждения α_ох = 11,63.

Для известняка λ = 2,3 Вт/(м^2оС).

Время нахождения известняка в печи рассчитываем следующим образом:

1. В зоне нагрева

Чтобы нагреть кусок известняка от 16^оС до температуры его разложения (856^оС), ему следует сообщить количество теплоты, определяемое с одной стороны по формуле

 

где с — удельная теплоемкость известняка, равная 2,33 кДж(кг·^оС)

           m — масса шара, равная:

 

где ρ — плотность известняка, равная 2650 кг/м³.

Тогда

 

С другой стороны, количество теплоты, сообщаемое куску известняка радиусом r за время t_н составляет

 

где — коэффициент теплопередачи в зоне подогрева, Вт/(м²·^оС)

                   S — площадь поверхности куска известняка, м²;

                   ∆t_н — разность температур, ^оС;

                    t_н — время нахождения известняка в зоне нагрева, ^оС.

Определяем  значение , ∆t_н и S:

 

 

 

Тогда

 

Так как Q₁=Q₂, то, подставляя числовые значения  в формулы, получаем:

 

Отсюда для  куска радиусом с r = 0,06 м.

 

2. В зоне обжига

Количество теплоты, поступающей  при обжиге к шарообразному куску  известняка через его поверхность:

 

Для разложения этого куска  известняка ему необходимо сообщить количество теплоты:

 

где m — масса известняка;

      1782,7 — удельное  количество теплоты на разложение СаСО₃ кДж/кг

Тогда

 

Учитывая, что в известняке содержится 93,5% СаСО₃ и степень обжига составляет 94,3%, получим:

 

Для определения Q₃ необходимо учесть среднюю теплопроводность известняка и извести. Для извести λ=0,62 Вт/(м·^оС)

 

 

Определяем коэффициент  теплопередачи и температурный  перепад в зоне обжига:

 

Температурный перепад равен:

 

Площадь поверхности куска  известняка составляет:

 

Подставляем числовые значения в формулу:

 

Так как , то, следовательно,

 

Отсюда 

 

3. В зоне охлаждения

Масса куска известняка начального радиуса r после обжига составляет

 

где  - масса куска известняка до обжига, кг;

        - выход извести из 1 кг массы известняка.

При охлаждении куска известняка до 50^оС он отдает количество теплоты:

 

где  0,795 –  удельная теплоемкость извести,^.

Количество теплоты, отдаваемой площадью поверхности куска полученной извести в зоне охлаждения, определяют по формуле:

 

Определяем коэффициент  теплопередачи и среднелагорифмическую разность температур:

 

 

Следовательно, подставляя числовые значения в формулу, получим:

 

Из равенства  следует:

 

Откуда:

 

Полное время нахождения известняка в печи составит:

t = 10,3 + 11,4 + 6,05 = 27,75 ч.

4. Расчет горения природного газа

Определим количество воздуха, состав и количество продуктов горения методом расчета процесса горения топлива. Расчет производим на 100 м³ газа. Для проверки расчета составляем материальный баланс при α = 1.

Поступило:

Газ ————100 моль

В том числе, кг:

СН4 — 93,2·16 = 1491,2

С2Н6 — 0,7·30 = 21

С3Н8 — 0,6·44 = 26,4

С4Н110 — 0,6·58 = 34,8

N2 — 4,9·28 = 137,2

Всего — 1710,6

 

Воздух — 932,06 моль

В том числе, кг:

О2 — 195,75·32 = 6264

N2 — 736,31·28 = 20616,68

Всего — 28591,28

 

Получено

Продукты горения — 1033,8 моль

В том числе, кг:

СО2 — 98,8·44 = 4347,2

Н2О — 193,9·18 = 3490,2

N2 — 741,11·28 = 20751,08

Невязка +4,8

Всего — 28591,28

 

 Расхождение составляет 0,017%.

 

Определяем теплотворную способность газа, использу тепловые эффекты реакций горения горючих элементов:

 

Начальная энтальпия продуктов  горения будет равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 —  расчет горения газа на 100 м³газа

Участвуют в горении							Образуются продуктов горения, м3
топливо			воздух
Состав газа, %	реакция горения	Количество, м3	Удельный расход кислорода, м3/м3	О2, м3	N2, м3	Всего, м3	CO2	H2O	O2	N2	всего
СН4 - 93,2	СН4+2О2= CO2+ H2O	93,2	2	186,4	195,75 · 3,762 = 736,31	195,75 · 736,31 = 932,06	93,2	186,4	—	736,31 (из воздуха)	—
С2Н6 - 0,7	С2Н6+3,5О2= 2CO2+ 3H2O	0,7	3,5	2,45			1,4	2,1	—		—
С3Н8 - 0,6	С3Н8+5О2= 3CO2+ 4H2O	0,6	5	3			1,8	2,4	—		—
N2 -4,9	N2топ→ N2дым	4,9	—	—			—	—	—	4,9	—
При α=1	%	—	—	21	79	100	9,55	18,75	—	71,7	100

 

 

Таблица 4 —  Тепловой баланс зоны охлаждения на 1 кг извести

Приходные статьи	Количество теплоты		Расходные статьи	Количество теплоты
	кДж	%		кДж	%
С известью, нагретой в зоне обжига до 940°С:   Где –удельная теплоемкость извести, кДж/(кг·°С)	850	100	С известью,  выгружаемой из печи при 50°С:	39	4,6
			Во внешнюю среду принимают n1= 4% количества теплоты; поступающей в зону охлаждения:	34	4
			С воздухом, проходящим через зону охлаждения:	777	91,4
Итого	850	100	Итого	850	100

 

Таблица 5 —  Предварительный тепловой баланс зоны обжига на 1 кг извести

Приходные статьи		Количество, кДж	Расходные статьи	Количество, кДж
От горения топлива:  где В – искомое количество топлива, м3		35 200	На разложение СаСО3: где 1780 – количество теплоты, необходимой для разложения 1 кг СаСО3 в СаО
С воздухом, проходящим через зону охлаждения,		777
			В окружающую среду принимаем n2= 4% количества теплоты, вносимой в шахту печи топливом:   где n2 – потерянное количество теплоты в окружающую среду к количеству теплоты, поступающей в зон обжига.	1 408 В
С известняком, поступающим из зоны подогрева в зону обжига:   где К – расход известняка на 1 кг извести, кг; - удельная теплоемкость известняка при равная 1,11 кДж/(кг·°С)		1 740
			С известью, переходящей из зоны  обжига в зону охлаждения:	850
			С продуктами горения топлива, переходящими из зоны обжига в зону подогрева:, где – объемы продуктов сгорания, м3/м3 топлива; - средние объемные теплоемкости газов при =940°С, кДж/(м2·°С)	16873В
			С углекислотой, выделенной при разложении СаСО3:   где объем СО2, выделяющийся от разложения СаСО3:   средняя теплоемкость СО2 при , кДж/(м3·°С), равная 2,18	693
Итого	35200В + 2517		Итого	18281В+4405

 

5. Определение количества топлива для обжига 1 кг извести

Составляем  тепловые балансы по законам печи (таблицы 4 и 5). Обозначим через В, м³, количество топлива, необходимого для обжига 1 кг извести стандартного качества. Из теплового баланса зоны обжига определим В.

Для определения  расхода топлива приравниваем приход теплоты к его расходу и  решаем уравнение относительно В:

 

Откуда:

 

 

Расход воздуха, в том  числе:

Кислорода

Азота

Итого

6. Материальный и тепловой балансы печи

На основе приведенных  расчетов материальных балансов обжига известняка и горения топлива, а  также подсчитанного расхода  топлива составляем сводный материальный баланс известкообжигательной печи. Рассчитываем состав и количество отходящих из печи газов на 1 кг извести.

Углекислого газа:

Сгорания топлива: 0,988·0,11=0,109 м³;

От разложения СаСО₃ из МgСО₃: 

Всего: или

Водяных паров:

От сгорания топлива: 1,939·0,11=0,21

От нагрева известняка:

Всего:

Азота: /кг

Кислорода:

Итого:

Или

Объемный расход дымовых  газов составит:

 

Следовательно, на основании  данного расчета составляем сводные  балансы печи (таблица 6 и 7)

Таблица 6 — Сводный материальный баланс известкообжигательной печи на 1 кг мзвести

Приходные статьи	Количество, кг	Расходные статьи	Количество, кг
Известняк: СаСО3 MgCO3 R2CO3 + SiO2 H2O	1,608 0,009 0,052 0,052	Известь	1
		Итого	1
		Отходящие газы: СО2 Н2О О2 N2	0,89 0,22 0,076 1,272
Итого	1,72
Топливо Воздух : О2 N2	0,084   0,386 1,267
		Итого	3,458
Всего	3,457	Всего	3,458

 

Невязка баланса — 

 

Таблица 7 —  сводный тепловой баланс зоны обжига на 1 кг извести (с подстановкой величины расхода топлива)

Приходные статьи	Количество теплоты		Расходные статьи	Количество теплоты
	кДж	%		кДж	%
От горения топлива :	3870	60,6	На разложение углекислого кальция Qрк	2862	44,8
С воздухом, проходящим через зону охлаждения, Qв	777	12,2	В окружающую среду: Qокр = 35200·0,11·0,04	155	2,4
			С известью, нагретой до 940°С	850	13,3
С известняком и  магнезиальной известью, нагретым до 940°С, Qп	1740	27,2	С продуктами горения топлива, нагретыми до 940°С	1856	29
			Теплота, теряемая от разложения     СаСО3, нагретого до 940°С, QСО2	693	10,9
			Невязка	-29	-0,4
Итого:	6387	100	Итого	6387	100

 

Таблица 8 —  тепловой баланс зоны подогрева на 1 кг извести

Приходные статьи	Количество теплоты				Расходные статьи	Количество теплоты
	кДж		%			кДж		%
С продуктами сгорания топлива	1856		72,8		На испарение влаги из известняка = 0,052·2700, где – содержание влаги в известняке на 1 кг продукции, кг; - энтальпия 1 кг водыпри температуре испарения, кДж/кг	140		5,5
С углекислотой, выделенной при разложении СаСО3, нагретого до 940°С:	693		27,2
					С углекислотой, выделенной при разложении MgCO3, , где - содержание MgCO3 в известняке а 1 кг продукции, кг;	13		0,5
					На нагрев известняка от 0 до 940°С(из баланса зоны обжига):	1740		68,3
					В окружающую среду ( от количества теплоты поступающей с топливом):	77		3
					Унос с продуктами горения из шахты  печи (из разности баланса 2549-1970)	579		22,7
Итого:	2549	100		Итого:		2549	100

 

Таблица 8 — сводный тепловой баланс известково-обжигательной печи на 1 кг извести

Приходные статьи	Количество теплоты		Расходные статьи	Количество теплоты
	кДж	%		кДж	%
От сгорания топлива	3870	100	На разложение СаСО3	2862	73,9
			На разложение МgСО3	13	0,3
			На испарении влаги известняка	140	3,6
			В окружающую среду	266	6,9
			С отходящими продуктами горения топлива	579	15
			С известью, выгружаемой из печи	39	1
			Невязка баланса	-29	-0,7
Итого	3870	100	Итого	3870	100