Расчет воздухонагревателя доменной печи

СОДЕРЖАНИЕ: 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

СО₂

СН₄

С₂ Н₄

С₂ Н₆

С₃ Н₈

С₄ Н₁₀

H₂

N₂

О₂

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

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:

k_д =(100-5.3)/100=0.947

3. Состав влажного доменного газа:

СО_вл = k_д *СО=0.947*27.6=26.14%

СО_2вл = k_д *СО₂ =0.947*9.8=9.28%

СН_4вл = k_д *СН₄ =0.947*0.7=0.66%

Н_2вл = k_д *Н₂ =0.947*3.5=3.31%

N_2вл = k_д *N₂ =0.947*58.1=55.02%

О_2вл = k_д *О₂ =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:

СО_см =СО_д *х+СО_п (1-х)=26.14*0.869=22.7%

СО_2см =СО_2д *х+СО_2п (1-х)=9.28*0.869+0.5*0.131=8.13%

СН_4см =СН_4д *х+СН_4п (1-х)=0.66*0.869+87.6*0.131=12.05%

С₂ Н_4см =С₂ Н_4д *х+С₂ Н_4п (1-х)=1.3*0.131=0.17%

С₂ Н_6см =С₂ Н_6д *х+С₂ Н_6п (1-х)=2.9*0.131=0.38%

С₃ Н_8см =С₃ Н_8д *х+С₃ Н_8п (1-х)=0.8*0.131=0.1%

С₄ Н_10см =С₄ Н_10д *х+С₄ Н_10п (1-х)=0.5*0.131=0.06%

Н_2см =Н_2д *х+Н_2п (1-х)=3.31*0.869=2.87%

N_2см =N_2д *х+N_2п (1-х)=55.02*0.869+5.7*0.131=48.56%

О_2см =О_2д *х+О_2п (1-х)=0.28*0.869+0.7*0.131=0.33%

H₂ O_см =Н₂ О_д *х+Н₂ О_п (1-х)=5.3*0.869=4.6%

Состав смешанного газа в %:

Газ

СО₂

СН₄

С₂ Н₄

С₂ Н₆

С₃ Н₈

С₄ Н₁₀

H₂

N₂

О₂

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 [м³ /м³ ].

10. Теоретически необходимое количество воздуха:

L₀ =(1+3,762)*0,393=1,87 [м³ /м³ ].

11. Действительное количество воздуха при n=1.1:

L_д =n*L₀ =1.1*1,87=2.06 [м³ /м³ ].

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 [м³ /м³ ]

б) Vн₂ о=(2СН₄ +2С₂ Н₄ +Н₂ +Н₂ 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 [м³ /м³ ]

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

=2.1119 [м³ /м³ ]

г) V^° о₂ =(n-1)*Vо₂ =(1.1-1)*0,393=0.0393 [м³ /м³ ]

13. Общее количество продуктов горения:

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

=2.9339 [м³ /м³ ]

14.Состав продуктов горения:

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

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

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

О₂ =(Vо₂ *100%)/V_пс =(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 t_в =20°C, i_в =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:

t_кал = t’_кал +

t_кал =1600+=1662,5°С

18. Действительная температура продуктов сгорания:

t_д =ht_кал =0.95*1662,5=1579,4°С

t_дн =0.97*1579.4=1532°С

t_д =1500°С

19. Определяем энтальпию продуктов сгорания:

а) на входе в насадку (при t_д =1500°С): i_дн =(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 t_дк =250°С:

i_дк =(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.

t_вмин =t_вк +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 Dt_в =200°С. Тогда средняя температура воздуха на выходе из насадки в течение воздушного периода составит:

t_вкср =t_вмин + Dt_в /2=1220+200/2=1320°С.

Этой температуре соответствует энтальпия:

i_вк =1908,18 [кДж/м³ ].

Согласно заданию на проектирование объем дутья

V_в =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 V_г определим из уравнения теплового баланса насадки за цикл её нагрева и охлаждения.

V_г V_пс (0.95i_дн -і_дк )t_д =V_вср (і_вк -і_вн )t_в ,

отсюда

где 0.95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке;

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

t_д и t_в – длительность дымового и воздушного периода, час.

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

Продолжительность цикла:

t_S =t_д +t_в =2.0+0.7=2.7 [час].

Расход ПДС:

Расход доменного газа:

V_пс =V_см *0.869=18415*0,869=16003 [м³ /ч]

Расход природного газа:

V_кг = V_см *0.131=18415*0.131=2412 [м³ /ч]

21. Количество воздуха необходимое для горения топлива:

V_в =L_д V_г =2.06*18415=37935 [м³ /ч]

22. Количество продуктов сгорания поступающих в насадку:

V_пс =V_д V_г =2,93*18415=53956 [м³ /ч]

Предварительное определение поверхности

нагрева насадки

23. Определяем количество тепла, затраченное на нагрев воздуха:

Q_в =V_вср (і_вк -і_вн )t_в =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 a_кд и a_кв 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 W_од =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 /с	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 a_к , вт/м² °С		49,48	33,09	36,09	26,63	-	-
Коэф теплоотдачи излучением a_л , вт/м² °С	8,2	-	4	-	-	-
Суммарный коэф теплоотдачи, вт/м² °С	a_к + a_л	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 С_р , 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 [м³ /м³ ] , f₁ =38.1 [м² /м³ ] , f₂ =0.2925 [м² /м³ ]

(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 С_р ,	кДж/кг°С	1.29	1.08	-	-
Коэф температуропро водност.	а м² /ч	0.00279	0.00182	-	-
Критерий Фурье	22.15	14.45	-	-
Коэф аккумуляции	0.943	0.915	-	-

Так как полученные значения коэффициента аккумуляции тепла h_к 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 x_н =5.1 для низа насадки и x_в =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:

К_верх	К_низ	К_ср	F м²	V м³	w м²	F_общ м²	Н м
39,6	38,17	38,9	44441	1166	7,49	25,62	45
W_в кВт/°С	С_н кДж/°С	W_д кВт/°С			m_в	Т_в час	°С
73	1.95*10⁶	25,5	1	9,5	0,9	4,38	199