Стекловаренная печь
СОДЕРЖАНИЕ: 1.Назначение печи. В данном курсовом проекте будет рассмотрена ванная печь непрерывного действия. Тип печи-регенеративная ,проточная с подковообразным направлением пламени. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком.1.Назначение печи.
В данном курсовом проекте будет рассмотрена ванная печь непрерывного действия. Тип печи-регенеративная ,проточная с подковообразным направлением пламени. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком.
Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя герметизированными загрузочными карманами ,расположенными по ее боковым сторонам.
Варочный бассейн печи отапливается природным газом. Для отопления варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части.
Удаление дымовых газов из варочного бассейна стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, отсечным, поворотным шиберами и металлической дымовой трубой при помощи основного и резервного дымососов ДН-9У.
Для использования тепла отходящих дымовых газов, печь оборудована регенераторами с насадкой типа «Лихте» с ячейками 170х170.
Тепло отходящих газов используется также в котле-утилизаторе.
Производительность печи-70 тонн в сутки.Вырабатываемый ассортимент-бутылка из темнозеленого стекла.
2.Обоснование производительности.
Тип печи-регенеративная, проточная с подковообразным направлением пламени. Производительность печи-70 тонн в сутки. Форма и размеры выработочного бассейна приняты конструктивно из условия размещения одной машинолинии АЛ-118-2 (восьми секционная, двух-капельная). Автомат обслуживается одной бригадой из трех человек в смену(два машиниста и один наладчик стеклоформующей машины). Всего смены три. Вырабатываемый ассортимент- бутылка из темнозеленого стекла. Масса бутылки- 340 грамм. Количество резов составляет-80(в минуту). Коэффициент использования стекломассы (КИС)-0,95.
Данная стекловаренная печь предусматривает эффективную тепловую изоляцию стен и днабассейна,стен пламенного пространства, горелок, сводов варочного, выработочного бассейнов, горелок и регенераторов, что заметно увеличит производительность стеклотары на данном участке производства.
3.Выбор удельного съема и расчет основных геометрических размеров печи.
Химический состав стекла:
SiO 2 -72 %
Fe2 O3 +AL 2 O 3 -2,3 %
Na 2 O +К 2 О-14%
CaO+MgO-11,5%
SO 3 -0 ,2 %
Максимальная температура варки-1500 C
В температурном интервале от 23 до 1500С вязкость стекол изменяется на 18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 10 19 Па с, в расплавленном состоянии-10 Па с. Температурный ход вязкости показан на рисунке. При низких температурах вязкость меняется незначительно. Наиболее резкое снижение вязкости происходит в интервале 10 15 -10 7 Пас.
Кривая температурного хода вязкости.
Определяем основные размеры рабочей камеры.
Площадь варочной части печи, м 2 :
F=G* 10 3 /g ;
Где G -производительность печи, кг/сутки;
g -удельный съем стекломассы с зеркала варочной
части, кг/(м2 *сут).
Принимаем g =1381 кг/(м2 *сут.).
Тогда F =70000/1381=50,68 м2 .
Длина варочной части для печи с подковообразным направлением пламени рассчитывается из соотношения
L:B=1,2:1
L:B=1,2
L * B =50,68
1,2*х*х=50,68
х2=50,68:1,2
х=6,5м (ширина B )
6,5*1,2=7,8 м (длина L )
Соотношение длины и ширины L / B =7,8/6,5=1,2
Ширина пламенного пространства на 120 мм больше ширины бассейна, т.е. 6,5+0,12=6,62 м
Высота подъема свода f =6,62/8=0,83 м.
Длина пламенного пространства 7,8+0,2=8 м.
Глубина бассейна: студочного мм , варочного мм.
Площадь студочной части при температуре варки 1500С принята равной площади варочной части: F ст= 50,68м2 .
Ширина студочной части составляет 80% ширины варочной части: 6,5*0,8=5,2 м. Принимаем ширину загрузочных карманов (6,5-0,9)/2=2,8 м, где 0,9 м – ширина разделительной стенки. Длина загрузочного кармана 1 м.
4.Обоснование распределения температур в печи.
Термический процесс, в результате которого смесь разнородных компонентов образует однородный расплав, называется стекловарением.
Сыпучую или гранулированную шихту нагревают в ванной печи, в результате чего она превращается в жидкую стекломассу, претерпевая сложные физико-химические взаимодействия компонентов, происходящие на протяжении значительного температурного интервала.
Различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).
Отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной последовательности по длине печи и требуют создания необходимого температурного режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени. Распределение температур по длине и ширине ванной печи зависит от свойств стекла и условий варки. При варке темнозеленого стекла температура в начале зоны варки (у загрузочного кармана) 1400-1420С, так как в этой части бассейна печи происходят нагрев, расплавление и провар шихты, т. е. завершение стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление стекломассы. Температура стекломассы у загрузочного кармана 1200-1250С. В зоне осветления температура газовой среды поддерживается максимальной-1500С, так как при такой температуре вязкость стекломассы снижается, происходит интенсивное осветление и завершается гомогенизация. В зоне студки температура газовой среды плавно понижается до 1240С, что приводит к увеличению вязкости стекломассы. В зоне выработки температурный режим устанавливается в зависимости от требований, необходимых для нормальной выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.
Для установления стационарного температурного режима газовой среды в печи необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подаваемого в печь, тщательно их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы.
Возможность установления определенного температурного режима предусматривается конструкцией ванной печи.
На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей камере печи. Повышение давления до определенных пределов способствует более равномерному прогреву отдельных частей печи, так как объем рабочей камеры максимально заполняется пламенем. Создание разряжения в печи приводит к уменьшению распространения пламени и присосу холодного воздуха через отверстия. Это ухудшает равномерность распределения температур и вызывает понижение температур в тех участках печи, куда проникает холодный воздух.
Температурный режим печи зависит также и от температуры факела пламени и ее распределения по длине факела. Температура факела регулируется подачей воздуха.
5.Расчет горения топлива, действительной температуры факела и минимальной температуры подогрева воздуха.
Теплоту сгорания топлива определяют по его составу:
Q н =358CH4 +637C2 H6 +912C3 H8 +1186C4 H10 ;
Q н=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м3
Уравнения реакций горения составных частей топлива:
CH4 +2O2 =CO2 +2H2 O+Q;
C 2 H 6 +3,5О2 =2СО2 +3Н2 О+ Q ;
C3 H8 +5O2 =3CO2 +4H2 O+Q;
C4 H10 +6,5O2 =4CO2 +5H2 O+Q.
Коэффициент избытка воздуха L =1,1.
Расчет горения сводим в таблицу:
| Состав топлива, % | Содержание газа, м3 /м3 | Расход воздуха на 1м3 топлива, м3 | Выход продуктов горения на 1 м3 топлива,м3 | |||||||
| О 2Т | О 2Д | N 2 Д | V L | CO 2 | H 2 O | N 2 | O 2 | V Д | ||
| CH 4 -93,2 | 0,932 | 1,8 6 4 | 1,96х1,1 |
2,16х х3,76 |
2,16+ +8,10 |
0,932 | 1,864 | - | - | 2,796 |
| С 2 Р 6 -0,7 | 0,007 | 0,025 | 0,014 | 0,021 | Из воздуха | Из воздуха | 0,035 | |||
| С 3 H 8 -0,6 | 0,006 | 0,030 | 0,018 | 0,024 | 8,1 | 0,2 | 8,142 | |||
| C 4 H 10 -0,6 | 0,006 | 0,039 | 0,024 | 0,030 | - | - | 0,054 | |||
| N 2 -4,4 | 0,044 | - | - | - | - | - | - | 0,044 | - | 0,044 |
| СО 2 -0,5 | 0,005 | - | - | - | - | 0,005 | - | - | - | 0,205 |
| Сумма-100 | 1 | 1,96 | 2,16 | 8,1 | 10,26 | 0,993 | 1,939 | 8,144 | 0,2 | 11,276 |
О2Т иО2Д -расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при L =1,1; N 2Д - действительный объем азота из воздуха; VL -действительный расход воздуха для горения 1 м3 газа; V Д -объем продуктов горения на 1 м3 газа.
Объемный состав продуктов горения, %:
CO2=0,993*100/11,28=8,80
H2O=1,939*100/11,28=17,20
N 2=8,144*100/11,28=72,23
O 2=0,2*100/11,28=1,77
_________________________
Сумма-100
Определим расход топлива:
Составим тепловой баланс варочной части печи.
Приходная часть
1. Тепловой поток ,поступающий при сгорании топлива, кВт:
Ф1 = Q нХ,
где Q н-теплота сгорания топлива,кДж/м3 ;
Х- секундный расход топлива, м3 /с.
Ф1 =35200Х кВт.
2. Поток физической теплоты, поступающий с воздухом, кВт:
Ф2= VL c в t в Х,
где VL -расход воздуха для горения 1 м2 топлива,м3 ;
t в - температура нагрева воздуха в регенераторе-горелке,С;
св -удельная теплоемкость воздуха при температуре нагрева(данные взяты из приложения), кДж/(м3 С).
Принимаем температуру подогрева воздуха в регенераторе1100С и повышение температуры в горелкена 50С. Тогда Ф2 =10,26*1150*1,455=17150Х кВт.
Потоками физической теплоты топлива, шихты и боя пренебрегаем ввиду их незначительности.
Общий тепловой поток будет равен:
Фприх. =35200Х+17150Х=52350Х кВт.
Расходная часть
1.На процессы стеклообразования, кВт:
Ф1 = ng ,
где п- теоретический расход теплоты на варку 1 кг стекломассы, кДж/кг;
g - съем стекломассы, кг/с.
Так как состав стекла и шихты в расчете не учитываются, то по данным Крегера, можно принять расход теплоты на получение 1 кг стекломассы и продуктов дегазации равным 2930 кДж/кг:
g =70*1000/24*3600=0,81 кг/с;
Ф1 =2930*0,81=2373 кВт ,
2.Тепловой поток, теряемый с отходящими из печи дымовыми газами, кВт:
Ф2 = V Д t Д C Д X ,
Где V Д -объем дымовых газов на 1м3 топлива, м3 ;
T Д-температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, С; принимается равной температуре варки
1500 С;
C Д –удельная теплоемкость дымовых газов при их температуре, кДж/(м3 *С).
Удельную теплоемкость продуктов горения подсчитывают как теплоемкость смеси газов:
сД =c СО 2 rCO2 +cH2O rH2O +cN2 rN2 +cO2 rO2 ,
где r -объемная доля компонентов газовой смеси;
с-теплоемкость газов, кДж/(м3*С);
СД 1500 =2,335*0,0880+1,853*0,172+1,444*0,722+ +1,529*0,0177=1,6 кДж/(м3 *С).
Определяем тепловой поток:
Ф2 =11,28*1500*1,6Х=27072Х кВт.
3. Тепловой поток, теряемый излучением, кВт:
Ф3= ( Со F (Т1/100)4 -(Т2/100)4 )/1000.
Где Со - коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м2 *К4 );
- коэффициент диафрагмирования;
F - площадь поверхности излучения, м2 ;
Т1 иТ2 - абсолютная температура соответственно излучающей среды и среды, воспринимающей излучение, К
а ) Излучение через загрузочный карман. Для расчета коэффициента диафрагмирования принимаем отверстие за прямоугольную щель высотой Н=0,2м, шириной равной ширине загрузочного кармана –1,7 м, толщиной арки =0,5 м.
Тогда
Н/=0,2/0,5; =0,4.
Рассчитаем площадь излучения:
F =1,7*0,2*2=0,68 м2 (так как загрузочных карманов два).
Принимаем температуру в зоне засыпки шихты t 1 =1400 C ,а температуру окружающего воздуха t 2 =20С.
Тогда
(Т1 /100)4 =78340 (Т2 /100)4 =73,7
Находим тепловой поток
Фа =(5,7*0,4*0,68(78340-73,7))/1000=121кВт.
б) Излучение во влеты горелок. Принимаем суммарную площадь влетов равной 3% площади варочной части:
F =50,68*0,03=1,5 м2.
Высоту влетов предварительно принимаем равной 0,4м; форма отверстия – вытянутый прямоугольник, размеры которого Н=0,4; =0,5:
Н/=0,8().
Принимаем среднюю температуру в пламенном пространстве варочной части t 1 =1450С, а температуру внутренних стенок горелок t 2 =1350С. Тогда(Т1 /100)4 =44205 и (Т2 /100)4 =33215.
Определяем тепловой поток:
Фб =5,7*0,8*1,5(44205-33215)/1000=75,2кВт.
Общий тепловой поток излучением
Ф3 =Фа +Фб =121+75,2=196,2кВт.
4. Тепловой поток, теряемый на нагрев обратных потоков стекломассы, кВт:
Ф4 =(п-1) gc ст ( t 1 - t 2 ),
где п- коэффициент потока, представляющий собой отношение количества стекломассы, поступающей в выработочную часть, к вырабатываемой; п= 3,5;
сст -удельная теплоемкость стекломассы, кДж/(кг*С);
t 1 и t 2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы 1350 и 1250 С;
сст =0,1605+0,00011 t ст =0,3ккал/(кг*град)*4,19=1,26кДж/ /(кг*С);
Ф4 =(3,5-1) 0 ,81*1,26*100=255,15 кВт.
5.Тепловой поток, теряемый в окружающую среду через огнеупорную кладку, кВт:
Ф5 =( t вн - t в/ /+1/2 )* F ,
где t вн - температура внутренней поверхности кладки, С
t в - температура окружающего воздуха, С;
-толщина кладки, м;
-теплопроводность огнеупора данного участка, Вт/(м*С);
2 -коэффициент теплоотдачи от наружной стенки окружающему воздуху, Вт/(м2 *С).
Если принять
( t вн - t в/ /+1/2 = q ,
то формула теплопередачи примет вид, кВт:
Ф5 = qF .
Плотность теплового потока выбираем по таблице, в зависимости от температуры внутренней поверхности кладки и термического сопротивления ее r =/; при двуххслойной стенке
r =1 / 1 + 2 / 2 ,
Рассчитываем площади поверхностей, ограждающих печь. Принимаем средние размеры варочной части:
по длине бассейна
7,8+0,12=7,92м;
по ширине бассейна
6,5+0,4=6,9м,
по длине пламенного пространства
8+0,4/2=8,2м;
по ширине пламенного пространства
6,62+0,4=7,02м,
где 0,4м – торцовой и боковых стен пламенного пространства.
1) Площадь дна
F дна= F в.ч.+ F з.к. ,
К площади варочной части добавляют площадь дна загрузочного кармана, т.е.
F в.ч.=7,92*6,9=54,6м2 ;
F з.к.=6,9*1,6=11,04м2 ;
F дна=54,6+11,04=65,64м2 .
2) Площадь стен бассейна. Верхний F 1 и средний F 2 ряды имеют одну и ту же площадь:
F1 , F2 =(7,92+1,6)*0,6*2+6,9*0,6=11,42+4,14=15,56 м 2 .
Складываем площади двух продольных и поперечной стены с учетом площади продольных стен загрузочного кармана.
Нижний ряд F 3
F 3 =( 7,92+1)*0,4*2+6,9*0,4=9,89 м2 .
3) Площадь стен пламенного пространства
F п.п. =2 F прод .+ F торц .- F вл.
Принимаем предварительно высоту стены пламенного пространства равной 1 м.
F прод .=8,2*1=8,2 м2 .
Площадь F торц . Определяют по эскизу.
Определяем площади F 1 , F 2 , F к : при этом F торц. = F 1 + F 2 -2 F к.
Где F 1 , F 2 и F к – площадь сегмента, прямоугольника и под арками загрузочных карманов.
Для определения площади сегмента применяем упрощенную формулу:
F сегм. =2/3 bf ,
где b -длина хорды;
f -стрела подъема свода, равная 1,02м.
Тогда
F сегм. = F 1=2/3*7,02*1,2 =5,76м2 ;
6.Обоснование выбора печестроительных материалов.
Выбор огнеупоров для кладки стекловаренных печей определяется их химическим составом и свойствами, а также химическим составом стекломассы и зависит от конструкции и режима эксплуатации печей.
Для кладки основных элементов стекловаренной печи использованы следующие огнеупорные материалы: