• нагрев технологических газов (СО₂) до 1250 °С

2,202·14,37·(1250-750)·16=253141,9 кДж=253,14 МДж;

• разложение карбонатов. При этом количество СаСО₃ (молекулярная масса - 100) в шихте (в известняке и боксите) (табл. 17) через СаО (молекулярная масса - 56) равно

Тогда в соответствии с уравнением

СаСО_з=СаО+СО₂ - 178000 кДж

затраты тепла составят

(4+5,365)·16(100/56)·(178000/100)=476277,1 кДж=476,3 МДж.

Количество Na₂CO₃ (молекулярная масса - 106) в шихте (в соде и оборотном растворе) через Na₂O (молекулярная масса – 62) равно

Тогда в соответствии с уравнением

Na₂CO₃ =Na₂O+СО₂ - 322000 кДж

затраты тепла будут равны

=2791220,65 кДж=2791,22 МДж.

При разложении натриевого алюмосиликата количество Na₂O·Аl₂О₃·2SiО₂ (молекулярная масса - 284) на 1 тонну шихты рассчитывают по SiO₂ (молекулярная масса - 60) в белом шламе:

0,66·284·16/(2·60)=24,9 кг.

Ввиду отсутствия экспериментальных данных по тепловому эффекту разложения этого соединения принимаем, что он равен тепловому эффекту реакции разложения Na₂O·Аl₂Оз·2SiО_2. Тогда принимаем

Na₂O·Аl₂Оз·2SiО₂=Na₂O+Аl₂О₃+2SiO₂ - 261000 кДж;

22883 кДж=22,8 МДж.

Теплоту образования алюмината натрия определяем по содержанию Аl₂О₃ (молекулярная масса 102) в спеке (см. табл. 17) и исходя из уравнения

Na₂O+Аl₂О_з=Na₂O·Аl₂О₃ + 230000 кДж.

Тогда 1964470,6 кДж=1964,5 МДж.

Теплоту образования ферритов натрия устанавливаем по Fe₂O₃ (молекулярная масса - 160) в спеке согласно уравнению

Na₂O+Fe₂O₃=Na₂O·Fe₂О₃ + 178000 кДж;

409400 кДж=409,4 МДж.

Теплоту образования титаната натрия устанавливаем по TiO₂ (молекулярная масса - 80) в спеке в соответствии с уравнением

Na₂O+TiO₂=Na₂O·TiO₂ + 178000 кДж.

Тогда 60520 кДж=60,5 МДж.

Теплоту образования двухкальциевого силиката устанавливаем по СаО (молекулярная масса - 56) в спеке в соответствии с уравнением

2СаО+8SiO₂=2CaO·SiО₂ + 119000 кДж,

159205 кДж=159,2 МДж

Итого, теплопотребление в зоне кальцинации составляет

453,4+322,2+253,14+476,3+2791,22-0,9·(22,8+1964,5+409,4+60,5+159,2)=1941,5 МДж.

Ширину слоя (хорда l_x) и контактную поверхность его с барабаном (1_q) определим исходя из соотношений размеров сегмента метариалов в поперечном сечении участка. Из практических данных принимаем центральный угол в зоне кальцинации равным 77,5°. Тогда

l_x=D_пsinα/2=5sin(77,5/2)=3,13 м.

l_q=πD_пα/360=π·5(77,5/360)=3,38 м.

Определяем эффективную длину лучей газового потока

где S_пер - периметр свободного сечения печи, м.

S_nep==

По практическим данным для зоны кальцинации можно принять коэффициент заполнения барабана печи φ=4,8...7,0 %. Выбираем φ=5,9 %. Тогда

;

S_nep==

Степень черноты для СО₂ и Н₂О в зоне кальцинации находим из состава газов в ней:

P_CO2S_эф=0,1123·7,37·101,325=83,86 кПа·м,

при t_Г=1320°С ε_CO2=0,17;

P_H2OS_эф=0,1715·7,37·101,325=128,1 кПа·м,

при t_Г=1320°С ε΄_H2O=0,28; β=1,08; ε_H2O=0,28·1,08=0,3024;

Тогда степень черноты газов составит ε_Г=0,17+0,3024=0,4724. Степень развития кладки в зоне кальцинации составляет

Приведенный коэффициент излучения равен

3,87 Вт/(м²·К⁴).

Определяем величину тепловых потоков:

181998,1 Вт/м².

Средняя скорость движения газов в зоне кальцинации равна

0,89 м/с;

Тогда конвективный тепловой поток

q_k=10,467·0,89·(1320-875)=4145,45 Вт/м².

С учетом температуры кладки 1100 °С получим

54505,21 Вт/м².

Длина зоны кальцинации составит

6,46 м.

Протяженность зон спекания L_сп и охлаждения L_охл рассчитываем по необходимому времени пребывания шихты и спека в печи. Принимаем для зоны спекания τ_сп=0,4 ч, для зоны охлаждения τ_охл=0,25 ч.

Находим скорость движения материалов, принимая угол наклона печи γ=2,5 %, а скорость вращения печи п=1,0 об/мин. Пусть синус угла естественного откоса материалов в зоне спекания составит 0,8, а для зоны охлаждения - 0,72. Тогда скорость движения материалов в зоне спекания составит

а в зоне охлаждения

Следовательно, L_сп=29,38·0,4=11,75 м; L_охл=32,63·0,25=8,158 м.

Полная длина печи составит 136,01+35,91+6,46+11,75+8,158=75,3 м. Принимаем полную длину печи 80 м.

7. Тепловой баланс печи

Расчет ведем на 1 т глинозема.

1. Статьи прихода.

1.1. Теплоту от сгорания топлива определяем из расчета горения топлива

Q_x=B·Q_н^р=35028,4 кВт.

1.2. При использовании колосникового холодильника воздух подогревается до температуры 200°С. Тогда физическую теплоту воздуха определяем по формуле

Q_в=C_вt_вL_αB=В·1,306·200·10,019=2616,96 В кВт.

1.3. Физическая теплота пульпы с температурой 50°С, принимаемой из данных практики работы вращающихся печей:

Q_ш=C_шt_шm_ш=3595,5·16·0,96·50=2761344 кВт.

1.3.1. Теплота экзотермических реакций образования алюминатов натрия, феррита натрия, двухкальциевого силиката, титаната натрия, которые протекают в основном в зоне кальцинации (см. раздел 5):

Qэкз=Q_Na2OAlO3+Q_NaFeO3+Q_2CaO·SiO2+Q_2CaO·TiO2

Qэкз =(1964,5+409,4+60,5+159,2)·1000=2593600 кВт.

Общий приход теплоты в печь составит

35028,4 B +2616,96 В+2761344+2593600=

=37645,36 B+5354944 кВт.

2. Статьи расхода

2.1. Физическая теплота спека при температуре 1000 °С

Q_cп=C_спG_спt_сп=0,88·1340,5·1000=1179640 кВт.

2.2. Физическая теплота пыли при температуре отходящих газов 250 °С

Q_п=G_пC_пt_п=444·0,88·250=97680 кВт.

2.3. Теплота эндотермических реакций испарения влаги, разложения бемита и гидрогематита, каолинита, разложения карбонатов, разложения алюмосиликатов, образования алюмината натрия, ферритов натрия, титаната натрия, двухкальциевого силиката (см. раздел 6):

Q_энд=165,98+147343,8+6743,48+25574,4+

+476277,1+2791220,65+22883+1964470,6+

+409400+60520+159205=6063804,01 кВт.

2.4. Теплота отходящих газов, состоящих из продуктов сгорания топлива (раздел 5) и технологических газов (табл. 15):

Q_г=C_дt_дV_αB+C_CO2t_дV_CO2+C_H2Ot_дV_H2O

Q_г =(B 11,028·0,4+140,8·1,825+2065,5·1,5325)·250=3859,8 B+855584,68 кВт.

2.5. Потери теплоты через стенку теплопроводностью рассчитываем по зонам.

В зоне сушки температура материала на входе составляет 40°С, на выходе 150°С, в среднем °С. Температура газов на входе в зону составляет 750°С, на выходе 250°С, в среднем °С. Тогда общее количество теплоты, теряемое в окружающую среду в зоне сушки, составит

В зоне подогрева температура материала на входе составляет 150°С, на выходе 750°С, в среднем °С. Температура газов на входе в зону составляет 1250°С, на выходе 750°С, в среднем °С. Тогда

В зоне кальцинации температура материала на входе составляет 750°С, на выходе 1000°С, в среднем °С.

Температура газов на входе в зону составляет 1400°С, на выходе 1250°С, в среднем °С. Тогда

В зоне спекания температура материала составляет в среднем 1200°С. Температура газов в среднем составляет 1440°С. Тогда

В зоне охлаждения температура материала на входе составляет 1200°С, на выходе 1000°С, в среднем °С.

Температура газов в среднем по зоне составляет 300 °С. Тогда

В итоге потери теплоты за счет теплопроводности составляют

26681,54+228148,8+69739,7+97037,7+38444,4=460052,14 кВт.

Определяем потери тепла излучением через торцы печи

Поскольку последней зоной, где горит факел, является зона спекания, имеющая максимальную температуру газов 1440°С, то T_max=1440+273=1713 К;

Принимаем в первом приближении

Тогда

С поправкой на Δt_луч, получим

При внутреннем диаметре печи 5 м и длине зоны охлаждения (8,158) м коэффициент диафрагмирования Ф по графику равен 0,38. Тогда

Вт=3239,56 кВт.

Q₅=Q_5п+Q_5л=460052,14+3239,56=463291,7 кВт.

Расход теплоты равен

Q_расх=855584,68+463291,7+6063804,01+3859,8В+97680+1179640=

=3859,8 В+8660000,4 кДж.

Составляем уравнение теплового баланса:

37645,36 В+5354944=3859,8 В+8660000,4

откуда расход топлива В=97,82 м³/ч.

Часовой расход топлива составит В_τ=В·G=97,82·16=1565,12 м³/ч. Итоговый тепловой баланс представлен в табл. 18.

Удельный расход условного топлива определяем по выражению

кг. усл. топлива/т спека.

Определяем коэффициент полезного действия печи спекания

Таблица 18.

Тепловой баланс печи спекания бокситов производительностью 16 т/ч

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В мире накоплен значительный опыт конструирования и эксплуатации печей различного назначения. Большое разнообразие конструкций печей, применяемых в промышленности, обусловлен прежде всего чрезвычайно широким спектром технологических процессов, осуществляемых при производстве и дальнейшей тепловой обработки разнообразных материалов. Диапазон рабочих температур может изменяться в широких пределах. Вот почему при выборе конструкции и исходных данных, необходимых для расчета промышленной печи, следует, прежде всего, учитывать особенности технологического процесса, осуществляемого в данном агрегате.

Основное назначение металлургической печи состоит в том, чтобы создать в рабочем пространстве, изолированном от окружающей среды, наиболее благоприятные условия для реализации соответствующего технологического процесса. При этом необходимо учитывать закономерности, характеризующие процесс теплогенерации, механизм движения газов и теплообмен. Необходимо принимать во внимание взаимосвязь между условиями работы данной печи и условиями работы огнеупоров; возможность внутрипечного пылеосаждения или создания надежных систем очистки отходящих газов от пыли и т.д. Надежно работающая печь с экономным и рациональным использованием ее тепловой мощности является той базой, на основе которой можно решить практически любые технологические вопросы.

В технологическом расчете вращающейся печи спекания нами были выполнены:

1. Расчет минерального баланса процесса спекания, исходя из заданного состава шихты.

2. Расчет горения топлива заданного условием состава, в котором был определен теоретический расход вохдуха на горение, который составил 9,277 м³/м³ и действительный 10,019 м³/м³, теплоту сгорания топлива Q_н^р=35028,4 кДж/м³, состав и количество продуктов сгорания, определена теоретическая (1890 ˚С) и действительная (1512 ˚С) температуры горения природного газа.

3. Расчет размеров печи. В результате были получены следующие величины:

   1. Внутренний диаметр рабочего пространства печи равен 5 м.

   2. Наружный диаметр печи – 5,6 м.

   3. Длина зоны сушки –13,01 м.

   4. Длина зоны подогрева – 35,91 м.

   5. Дина зоны кальцинации – 6,46 м.

   6. Длина зоны спекания – 11,75 м.

   7. Дина зоны охлаждения – 8,158 м.

   8. Общая длина печи составит – 80 м.

4. Расчет расхода топлива, на основании которого был составлен тепловой баланс рабочего пространства печи.

5. Расчет удельного расхода топлива в целом на процесс, который равен b=116,905 кг усл. топл/т спека.

6. Расчет значения коэффициента полезного действия вращающейся печи, который равен η=80,15 %.