Расчет воздухонагревателя доменной печи

Расход воздуха для доменного производства. Определение количество тепла, затраченного на нагрев воздуха в воздухонагревателях регенеративного типа. Определение поверхности нагрева насадки. Обеспечение ровного схода шихты и максимальной производительности.

Расчет горения топлива

Состав природного и доменного газов, %.

Газ CO СО2 СН4 С2 Н4 С2 Н6 С3 Н8 С4 Н10 H2 N2 О2

W

г/м3

Природный - 0.5 87.6 1.3 2.9 0.8 0.5 - 5.7 0.7 -
Доменный 27.6 9.8 0.7 - - - - 3.5 58.1 0.3 45

1. Пересчитываем состав сухого газа на влажный. Объем влаги в 100м3 доменного газа:

Н2 О=(W*100)/(803.6+W)=(45*100)/(803.6+45)=5.3%

2. Коэффициент пересчета на влажный газ:

kд =(100-5.3)/100=0.947

3. Состав влажного доменного газа:

СОвл = kд *СО=0.947*27.6=26.14%

СО2вл = kд *СО2 =0.947*9.8=9.28%

СН4вл = kд *СН4 =0.947*0.7=0.66%

Н2вл = kд2 =0.947*3.5=3.31%

N2вл = kд *N2 =0.947*58.1=55.02%

О2вл = kд2 =0.947*0.3=0.28%

4. Состав влажных газовв %:

Газ СО2 СО Н2 N2 СН4 О2 Н2 О
Доменный 9.28 26.14 3.31 55.02 0.66 0.28 3.6

5. Вычислим теплоту сгорания газов:

а)для природного газа:

=0.127CO+0.108H2 +0.358CH4 +0.586C2 H4 +0.636C2 H6 +

+0.913C3 H8 +1.185C4 H10 =0.358*87.6+0.586*1.3+0.636*2.9+

+0.913*0.8+1.185*0.5=35.28 [мДж/м3 ]

б)для доменного газа:

=0.127CO+0.108H2 +0.357CH4 =0.127*26.14+0.108*3.31++0.358*0.66=3.91 [мДж/м3 ].

6. Определим состав смеси. Доля доменного газа в смеси:

1-X – природный газ

X – доменный газ

х=(-)/(-)=(35.28-8)/(35.28-3.91)=

=0.869 [мДж/м3 ].

7. Доля природного газа:

1-х=1-0.869=0.131

8. Состав смешанного газа:

СОсм =СОд *х+СОп (1-х)=26.14*0.869=22.7%

СО2см =СО *х+СО2п (1-х)=9.28*0.869+0.5*0.131=8.13%

СН4см =СН *х+СН4п (1-х)=0.66*0.869+87.6*0.131=12.05%

С2 Н4см2 Н *х+С2 Н4п (1-х)=1.3*0.131=0.17%

С2 Н6см2 Н *х+С2 Н6п (1-х)=2.9*0.131=0.38%

С3 Н8см3 Н *х+С3 Н8п (1-х)=0.8*0.131=0.1%

С4 Н10см4 Н10д *х+С4 Н10п (1-х)=0.5*0.131=0.06%

Н2см *х+Н2п (1-х)=3.31*0.869=2.87%

N2см =N *х+N2п (1-х)=55.02*0.869+5.7*0.131=48.56%

О2см *х+О2п (1-х)=0.28*0.869+0.7*0.131=0.33%

H2 Oсм2 Од *х+Н2 Оп (1-х)=5.3*0.869=4.6%

Состав смешанного газа в %:

Газ CO СО2 СН4 С2 Н4 С2 Н6 С3 Н8 С4 Н10 H2 N2 О2

W

г/м3

ПДС 22,7 8,13 12,05 0,17 0,38 0,1 0,06 2,87 48,56 0,33 4,6

9. Расход кислорода на горение:

=0,01*((22,7+2,87)*0,5+2*12,05+3*0,17+3,5*0,38+5*0,1+

+6,5*0,06-0,33)=0,393 [м33 ].

10. Теоретически необходимое количество воздуха:

L0 =(1+3,762)*0,393=1,87 [м33 ].

11. Действительное количество воздуха при n=1.1:

Lд =n*L0 =1.1*1,87=2.06 [м33 ].

12.Количество продуктов горения:

a) Vсо2 =(СО+СО2 +СН4 +2С2 Н4 +2С2 Н6 +3С3 Н8 +4С4 Н10 )*0.01=

(22,7+8,13+12,05+2*0,17+2*0,38+3*0,1+4*0,06)*

*0.01=0.4452 [м33 ]

б) Vн2 о=(2СН4 +2С2 Н422 О+3С2 Н6 +4С3 Н8 +5С4 Н10 )0.01=

=(2,87+2*12,05+2*0,17+3*0,38+4*0,1+5*0,06+4,6)*

*0.01=0.3375 [м33 ]

в) VN2 =0,01N2 +nkVо2 =0,01*48,56+1,1*3,762*0,393=

=2.1119 [м33 ]

г) V° о2 =(n-1)*Vо2 =(1.1-1)*0,393=0.0393 [м33 ]

13. Общее количество продуктов горения:

Vпс =Vсо2 +Vн2 о+VN2 +Vо2 =0.4452+0.3375+2.1119+0.0393=

=2.9339 [м33 ]

14.Состав продуктов горения:

СО2 =(Vсо2 *100%)/Vпс =(0.4452*100%)/2,9339=15.17%

Н2 О=(Vн2 о*100%)/ Vпс =(0.3375*100%)/2,9339=11,5%

N2 =(VN2 *100%)/Vпс =(2.1119*100%)/2,9339=71,98%

О2 =(Vо2 *100%)/Vпс =(0.0393*100%)/2,9339=1.35%

Состав продуктов горения в %:

СО2 Н2 О N2 О2 Сумма
15,17% 11,5% 71,98% 1,35% 100%

15. Теплота сгорания природно-доменной смеси (по заданию): 8[мДж/м3 ].

Определение количества продуктов сгорания, поступающих в насадку, и его параметров

16. Определяем энтальпию продуктов сгорания;

приймем tв =20°C, iв =26.1 [кдж/м3 ]

==2745.07 [кДж/м3 ].

Определяем калориметрическую температуру продуктов сгорания. В первом приближении калориметрическую температуру продуктов сгорания принимаем равной t’кал = 1600°С.

i1600 ==

= 2630,89 [кДж/м3 ]

Так как i0 >i1600 , принимаем более высокую температуру 1700°С.

Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре

i1700 =2813,52[кДж/м3 ]

Поскольку i0 <i1700 , то истинную температуру определяем по формуле:

tкал = t’кал +

tкал =1600+=1662,5°С

18. Действительная температура продуктов сгорания:

tд =htкал =0.95*1662,5=1579,4°С

tдн =0.97*1579.4=1532°С

tд ¢=1500°С

19. Определяем энтальпию продуктов сгорания:

а) на входе в насадку (при tд ¢=1500°С): iдн =(3545,34*15.17+2758.39*11,5+2170,55*71,98+

+2296,78*1.35)/100= 2448,41 [кДж/м3 ].

б) на выходе из насадки (низ). Принимаем среднюю за период температуру уходящих из насадки газов tдк =250°С:

iдк =(470,2*15.17+384.46*11,5+327*71,98+339.56*1.35)/

/100=355,5 [кДж/м3 ]

20. Определяем средний за воздушный период расход воздуха. Принимаем, что пути от верха насадки до печи температура дутья понижается на 20°С.

tвмин =tвк +20=1200+20=1220°С.

Эта температура соответствует концу периода нагрева дутья. Для предварительных расчетов принимаем, что в течение воздушного периода температура воздуха понижается на величину Dtв ¢¢=200°С. Тогда средняя температура воздуха на выходе из насадки в течение воздушного периода составит:

tвкср =tвмин + Dtв ¢¢/2=1220+200/2=1320°С.

Этой температуре соответствует энтальпия:

iвк =1908,18 [кДж/м3 ].

Согласно заданию на проектирование объем дутья

Vв =195000 [м3 /час]. Это максимальное количество воздуха, которое пройдет через воздухонагреватель к концу воздушного дутья периода. Средний расход дутья за воздушный период определим из соотношения:

20. Определяем требуемый расход топлива. Требуемый расход топлива Vг определим из уравнения теплового баланса насадки за цикл её нагрева и охлаждения.

Vг Vпс (0.95iдндк )tд =Vвсрвквн )tв ,

отсюда

:

где 0.95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке;

івн – энтальпия воздуха на входе в насадку. Температура воздуха на входе в насадку tвн =170°С (после воздуходувки), что соответствует её энтальпии івн =222,65[кДж/м3 ];

tд и tв – длительность дымового и воздушного периода, час.

Предварительно принимаем tд =2.0 час, а время, затрачиваемое на перекидку клапанов tп =0.1 час. При числе воздухонагревателей п=4 длительность воздушного периода будет равна:

Продолжительность цикла:

tS =tд +tв =2.0+0.7=2.7 [час].

Расход ПДС:

Расход доменного газа:

Vпс =Vсм *0.869=18415*0,869=16003 [м3 /ч]

Расход природного газа:

Vкг = Vсм *0.131=18415*0.131=2412 [м3 /ч]

21. Количество воздуха необходимое для горения топлива:

Vв =Lд Vг =2.06*18415=37935 [м3 /ч]

22. Количество продуктов сгорания поступающих в насадку:

Vпс =Vд Vг =2,93*18415=53956 [м3 /ч]

Предварительное определение поверхности

нагрева насадки

23. Определяем количество тепла, затраченное на нагрев воздуха:

Qв =Vвсрвквн )tв =180227(1908,18-222,65)0.7=

=2,1264*108 [кДж/цикл]

24. Средне логарифмическая разность температур °C:

25. Средние за период температуры дыма и воздуха:

26. Средние температуры верха и низа насадки:

а) дымовой период:

б) воздушный период:

27. Определение коэффициента теплоотдачи для верха и низа насадки. Для определения теплоотдачи конвекцией aкд и aкв воспользуемся формулой:

Nu=ARen

Значение коэффициентов А и п : 0.0346 и 0.8 соответственно.

Результаты вычислений приведены в таблице.

28. Примем скорость продуктов сгорания при нормальных условиях Wод =2 м/с. Тогда скорость воздуха при нормальных условиях будет:

29. Действительную скорость продуктов сгорания определяем по формуле:

а) для верха насадки

б) для низа насадки

30. Так как воздуходувка подает воздух под давлением Р=354.5 [кПа], то действительную скорость воздуха для верха и низа насадки найдем по формуле:

,

где Р0 =101.3 кПа, Т0 =273°К

а) для верха насадки

б) для низа насадки

31. Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.

Параметры и единицы измерения

Расчет форму

ла

Предварительный расчет Уточненный расчет
Верх Низ Верх Низ
Дым Возд Дым Возд Возд Возд
Средние за период темпе- ратуры дыма и воздуха 1187,5 1032,5 562,5 457,5 - -
Коэф. Теплопровод ности l*102 вт/м°С 12,47 8,32 6,95 5,09 - -
Кинематический коэф вязкости u*106 м2 218,7 182,85 87,75 72,63 - -
Определяющий диаметр канала , м 0,031 0,031 0,031 0,031 - -
Действительная скорость продуктов сгорания и воздуха м/с 10,7 9,13 6,12 5,11 - -
Критерий Рейнольдса 1516,69 1547,88 2162,05 2181,05 - -
Критерий Нуссельта 12,13 12,33 16,1 16,22 - -
Коэф теплоотдачи конвекций aк , вт/м2 °С 49,48 33,09 36,09 26,63 - -
Коэф теплоотдачи излучением aл , вт/м2 °С 8,2 - 4 - - -
Суммарный коэф теплоотдачи, вт/м2 °С aк + aл 56,68 33,09 40,09 26,63 - -

Теплофизические параметрыматериала насадки

32. Средние температуры верха (динас) и низа (шамот) насадки:

33. Теплофизические параметры материала насадки – теплоемкость Ср , коэффициент теплопроводности l в зависимости от средней температуры определяем по формулам:

Динас:

Шамот:

34. Эквивалентная полутолщина кирпича:

V, f1 , f2 – живое сечение насадки.

V=0.7 [м33 ] , f1 =38.1 [м23 ] , f2 =0.2925 [м23 ]

(из методического пособия №127)

35. Коэффициент аккумуляции тепла кладкой определяем по формуле:

вследствие преобразований получаем:

а) динас

б) шамот

Теплофизические параметры материала насадки и коэффициент аккумуляции тепла для верха и низа регенеративной насадки.

Параметры и еденицы измерения

Расчет

ная формула

Предварительный расчет Уточненный расчет
Верх Низ Верх Низ
Динас Шамот Динас Шамот
Средняя температура насадки, °С 1110 510 - -
Объемная плотность, r, кг/м3 2000 2025 - -
Коэф теплопроводности l, вт/м°С 2 1.11 - -
Теплоемкость Ср , кДж/кг°С 1.29 1.08 - -
Коэф температуропро водност. а м2 0.00279 0.00182 - -
Критерий Фурье 22.15 14.45 - -
Коэф аккумуляции 0.943 0.915 - -

Так как полученные значения коэффициента аккумуляции тепла hк <1/3, то вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать толщину кирпича и величину коэффициентов, учитывающих различие в температурах кирпича в дымовом и воздушном периодах можно принять xн =5.1 для низа насадки и xв =2.3 для верха. y- принимаем равным 1/3.

36. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи:

Тогда суммарный коэффициент теплопередачи для верха насадки:

для низа насадки:

37. Средний коэффициент теплоотдачи для всей насадки:

38. Поверхность нагрева насадки:

39. Объем насадки:

V=F/f1 = 44441/38.1=1166 м2

40. Площадь поперечного сечения насадки в свету:

41. Общая площадь горизонтального сечения насадки:

42. Высота насадки:

Определение изменения температуры воздуха

за воздушный период

43. Теплоемкость потока воздуха:

44. Теплоемкость насадки:

45. Теплоемкость потока дыма:

тогда:

46. Определяем значение условий постоянной времени воздушного периода, т.е. время, в течение которого температура воздуха на выходе из насадки изменяясь с постоянной скоростью, достигла бы значения Dt´´=200°С:

47. Определяем изменение температуры на выходе из насадки в течение воздушного периода:

Поскольку полученное значение Dt´´ мало отличается от принятого при предварительном расчете (Dt´´=200°С), повторять расчет нет необходимости:


Кверх Книз Кср

F

м2

V

м3

w

м2

Fобщ

м2

Н

м

39,6 38,17 38,9 44441 1166 7,49 25,62 45

Wв

кВт/°С

Сн

кДж/°С

Wд

кВт/°С

mв

Тв

час

°С

73 1.95*106 25,5 1 9,5 0,9 4,38 199

Невязка:

(Для повторного расчета разница менее 1%).

Размеры и масса насадки

Принимаем геометрические параметры насадки, полученные в повторном расчете : Н=45м, Fобщ =25,62м2 .

48. Масса кирпича в насадке:

49. Коэффициент стройности насадки:

что удовлетворяет условию равномерного распределения газа по сечению насадки.

50. Принимая скорость продуктов сгорания в шахте горения равной Wдо =2.5 м/с, определяем площадь горизонтального сечения шахты:

51. Суммарная площадь горизонтального сечения воздухонагревателя:

FS =Fш +Fобщ =6+26,62=32,62 [м2 ]

52. Диаметр воздухонагревателя по внутренней поверхности кладки:

53. оптимальное время между перекидками клапанов:

54. Оптимальная длительность воздушного периода: