Дипломная работа: Мероприятия по переводу барабанов-окомкователей АГЦ-3 на доменный газ

N₂ ^с = 45,0%;

Плотность сухого доменного газа при t=20°С с = 1,185 кг/м³;

Производительность барабана Q = 265 т/ч;

Скорость вращения барабана щ_вр = 5 об/мин;

Расход воды Vв = 6 т/ч;

Начальная влажность шихты щ_нач = 3%;

Конечная влажность шихты щ_кон = 6%;

Температура доменного газа t_дг = 20 °С;

Температура подогретого воздуха t_пв = 300 °С;

Температура воздуха в цехе t_в = 20 °С.

Таким образом, рассмотрен процесс окомкования агломерационной шихты в АГЦ-3. В связи с программой по энергосбережению предложено заменить природно-доменную смесь, используемую в технологическом процессе, на доменный газ. Для этого нужно проложить новый газопровод доменного газа и установить новое горелочное устройство.

Необходимо провести следующие расчеты:

1. Расчет горения топлива.

2. Составить тепловой баланс барабана-окомкователя.

3. Расчет процесса теплообмена между дымовыми газами и шихтой.

4. Аэродинамический расчет газопровода доменного газа.

5. Выбор горелочного устройства

6. Расчет устойчивости работы горелочного устройства.

2 Расчетно-организационная часть

2.1 Расчет основных характеристик процесса горения доменного газа

Доменный, или колошниковый, газ является побочным продуктом доменного производства. Это низкокалорийный газ, содержащий около 30--35 % горючих составляющих и большое количество балласта (азота и углекислоты). Состав и основные характеристики доменного газа зависят от состава шихты и хода плавки, следовательно, они непостоянны и изменяются во времени.

Состав сухого доменного газа: CO₂ = 19,9%; H₂ = 10,6%; CO = 24,5%;

N₂ = 45,0%;

Так как в составе доменного газа присутствует влага (щ=19 г/м³), то пересчитаем его состав:

H₂O = 100* щ/(804+ щ), %, (1)

H₂O = 100* 19/(804+ 19) =2,309%;

CO₂^вл = 19,441%;

H₂ ^вл = 10,355%;

CO ^вл = 23,934%;

N₂ ^вл = 43,961%;

У = 100%.

Определим низшую теплоту сгорания доменного газа.

Теплота сгорания -- это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. При этом обычно понимают, что процессы горения топлива протекают по реакциям соединения горючих элементов с кислородом при условии непрерывного образования горючей смеси топлива с воздухом. Теплоемкость можно определить расчетом, если известен химический состав топлива.

Формула для доменного газа будет (для t=0°С):

Q_н^вл = 30,2*CO ^вл + 25,7*H₂ ^вл + 85,55*CH₄ ^вл + 140,2*C₂H₄ ^вл +

+ 55,2*H₂S ^вл (2)

В связи с отсутствием в исходном газе углеводородов и серы, формула примет вид:

Q_н^вл = 30,2*CO ^вл + 25,7*H₂ ^вл; (3)

Q_н^вл = 30,2*23,934 + 25,7*10,355=988,9 ккал/м³

Так как доменный газ берется при t=20°С, то найденное значение нужно умножить на поправочный коэффициент:

Q_н^вл = 988,9*273/(273+20)=921,8 ккал/м³ = 3862,4 кДж/м³.

Определим теоретически необходимое количество воздуха. Воспользуемся формулой для сжигания генераторного, коксового или доменного газов и их смесей:

L_т = 4,762/100*((CO^вл+H₂^вл)/2 + 2*CH₄^вл + 3*C2H₄^вл + 1,5*H₂S^вл -

- O₂^вл), м³/м³ (4)

Для доменного газа формула примет вид:

L_т = 4,762/100*((CO^вл+H₂^вл)/2), м³/м³ (5)

L_т = 4,762/100*((23,934+10,355)/2) = 0,816 м³/м³

В атмосферном воздухе содержится некоторое количество влаги, которое можно выразить влагосодержанием d г/кг сухого воздуха. Поэтому расход влажного атмосферного воздуха будет больше, чем рассчитанный ранее. Примем влагосодержание d = 10 г/кг. Тогда:

L_т'= L_т*(1+0,0016*d), м³/м³ , (6)

L_т'= 0,816*(1+0,0016*10) = 0,829 м³/м³;

Для расчета состава продуктов сгорания доменного газа нужно знать коэффициент избытка воздуха б в самом барабане-окомкователе.

Так как по технологии процесса в барабане существуют дополнительные подсосы воздуха из цеха для снижения температуры дымовых газов, то найти коэффициент избытка воздуха б нельзя без значения расхода доменного газа на горелочное устройство. Для его определения составим тепловой баланс входящих и выходящих потоков тепла.

2.2 Тепловой баланс барабана-окомкователя

Тепловой баланс - это сопоставление прихода и расхода (полезно использованной и потерянной) теплоты в различных тепловых процессах. В технике тепловой баланс используется для анализа тепловых процессов, осуществляющихся в паровых котлах, печах, тепловых двигателях, сушилках и т. д.

Тепловой баланс для барабана-окомкователя:

Q_прих=Q_х^т + Q_ф^в (7)

Q_расх=Q_шихты + Q_воды + Q_окр.ср. + Q_{ух.газы} + Q_{нагр.бар.} (8)

Q_прих= Q_расх (9)

где Q_х^т, Гкал/ч - теплота топлива, выделяющаяся при химических реакциях;

Q_ф^в , Гкал/ч - физическая теплота, вносимая воздухом;

Q_шихты , Гкал/ч - необходимое количество теплоты на нагрев агломерационной шихты;

Q_воды, Гкал/ч - необходимое количество теплоты на нагрев воды, поступающей в барабан;

Q_окр.ср. , Гкал/ч - потери теплоты в окружающую среду от поверхности барабана-окомкователя;

Q_{ух.газы}, Гкал/ч - потери теплоты с уходящими газами,

Q_{нагр.бар.} , Гкал/ч - потери теплоты на нагрев барабана-окомкователя. Так как барабан работает непрерывно и температура его поверхности постоянна, то примем Q_{нагр.бар.} = 0.

Для расчета приходной части необходимо знать количестко топлива, которое расходуется в горелочном устройстве за час. Поэтому сначала найдем Q_расх.

Найдем Q_шихты:

Q_шихты = G_ш*c_ш*(t_к.ш.-t_н.ш.), Гкал/ч , (10)

где G_ш - расход шихты,кг/ч,

c_ш - теплоемкость шихты, кДж/(кг*°С),

t_к.ш - конечная температура шихты после нагрева в барабане,°С,

t_н.ш - начальная температура шихты на выходе из бункера,°С.

Q_шихты = 265000*1013*(60-12)/4,19=3,068 Гкал/ч = 12,86 ГДж/ч.

Найдем количество теплоты на нагрев воды:

Q_воды = G_воды*c_воды*(t_к.воды-t_н.воды), Гкал/ч, (11)

где G_воды - расход воды,кг/ч,

c_воды - теплоемкость воды, кДж/(кг*°С),

t_к.воды- конечная температура воды,°С,

t_н.воды- начальная температура воды,°С.

Q_воды = 6000*4191,9*(60-10)/4,19=0,3 Гкал/ч = 1,26 ГДж/ч.

Рассчитаем Q_окр.ср.- потери тепла в окружающую среду от поверхности барабана-окомкователя. Для этого нужно определить коэффициент теплоотдачи с поверхности цилиндра, который вращается вокруг своей оси. Его можно определить из формул:

Nu = k₁*k₂*Prⁿ*Re^m (12)

Nu = б*d_экв/л, (13)

где Nu - один из основных критеоиев подобия тепловых процессов, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счёт конвекции и интенсивностью теплообмена за счёт теплопроводности;

k₁, k₂, n, m - коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса;

Pr - критерий подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, учитывает влияние физических свойств теплоносителя на теплопередачу;

Re - критерий подобия, учитывающий характер движения среды;

б - величина, характеризующая интенсивность отдачи тепла, определяется отношением плотности теплового потока к разности температур между поверхностью и прилегающей средой,

d_экв - определяющая характеристика, размер;

л - коэффициент теплопроводности среды.

Сначала найдем число Рейнольдса:

Re=щ*d_экв/н (14)

где щ - скорость вращения барабана (заменяет в формуле скорость движения среды), м/с;

н - кинематическая вязкость среды, м²/с.

щ = р*D*n/60 (15)

где D - внешний диаметр барабана, м;

n - скорость вращения барабана, об/мин.

щ = р*3,24*5,1/60=0,865 м/с

Re=0,865*3,2/151,1*10⁶ = 185521,5

Число Pr_в(t=20°C) = 0,713, а число Pr_ст(t=55°C) = 0,709.

k₂ = (Pr_в/ Pr_ст)^0,25 (16)

k₂ = (0,713/0,709)^0,25 = 1,005;

Для Re > 50000 k₁ = 0,026, m = 0,80, n=0,35.

Тогда:

Nu = 0,026*1,005*0,713^0,35*185521,5^0,8 = 380,6.

Выразим коэффициент теплоотдачи:

б = л* Nu/ d_экв (17)

б = 0,0257* 380,6/ 3,24 = 3,02 ккал/(м²*°С).

Для нахождения потерь воспользуемся основным уравнением теплопередачи:

Q = б*F*?t (18)

где F-площадь поверхности,

?t - перепад температур.

Q_окр.ср. = б*р*D*l*(t_бар - t_окр.ср.) (19)

где t_бар - температура поверхности барабана,

t_окр.ср. - температура окружающей среды (цеха).

Q_окр.ср. = 3,02*р*3,24*12,5*(50-20) =9904 ккал/ч = 0,01 Гкал/ч =0,042 ГДж/ч.

Для определения потерь с уходящими газами Q_{ух.газы} необходимо знать их температуру и объем. Температуру уходящих газов зададим предварительно t_{ух.газы} =120 °С. Объем дымовых газов нельзя найти без известного количества сжигаемого топлива.

Для определения всех неизвестных и расчета продуктов сгорания, предварительно зададимся количеством доменного газа B=4000 м³/ч.

2.3 Расчет теплообмена в барабане между дымовыми газами и шихтой

Для доменного газа с расходом В=4000 м³/ч найдем необходимое количество атмосферного воздуха для процесса горения:

V_в = В* L_т , м³/ч, (20)

V_в = 4000* 0,829 = 3316 м³/ч;

В барабане-окомкователе также присутствуют подсосы воздуха из цеха через отверстия в торцах барабана (круглое d=0,671 м для запальника и контроля факела и квадратное 0,2х0,2 м для установки датчика наличия факела). Этот дополнительный воздух непосредственно участвует в технологическом процессе и нужен для снижения температуры дымовых газов, так как в шихте есть горючие компоненты. Температура дымовых газов не должна превышать 700 °С.

Плошадь отверстий будет равна:

F = р*r² + a*b (21)

F = р*(0,671/2)² + 0,2*0,2=0,394 м².

В барабане поддерживается перепад давлений. С учетом этого найдем скорость воздуха, который подсасывается через отверстия:

, м/с, (22)

где g - ускорение свободного падения,

?p - перепад давлений,

с - плотность воздуха.

= 3,9 м/с.

Тогда за час в барабан будет поступать:

V_подс = щ*F*3600 м³/ч;

V_подс = 3,9*0,394*3600 = 5524 м³/ч.

Рассчитаем коэффициент избытка воздуха б:

б = (V_подс+ V_в)/ V_в (23)

б = (5524+ 3316)/ 3316=2,67.

Рассчитаем продукты горения, приходящиеся на 1 м³ доменного газа. Общий объем продуктов горения при сжигании с принятым в расчете коэффициентом избытка воздуха равен сумме объемов отдельных составляющих:

V_б = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_O2 (24)

V_CO2 = 0,01*(CO₂ + CO + CH₄ + 2*C₂H₄), м³/м³ , (25)

V_CO2 = 0,01*(19,441 + 23,934) = 0,434, м³/м³;

V_H2O = 0,01*( H₂ + 2*C₂H₄ + 2*CH₄ + H₂S +H₂O + 0,16*d*L_т'*б), м³/м³ (26)

V_H2O = 0,01*(10,355 + 2,309 + 0,16*10*0,829*2,67) = 0,162, м³/м³;

V_N2 = 0,01*N₂ + 0,79* L_т'*б, м³/м³ , (27)

V_N2 = 0,01*43,961 + 0,79*0,829*2,67 = 2,186, м³/м³;

V_О2 = 0,21*(б-1)* L_т' , м³/м³ , (28)

V_О2 = 0,21*(2,67-1)* 0,829 = 0,290 , м³/м³;

V_б = 0,434 + 0,162 + 2,186 + 0,290 = 3,071, м³/м³;

В процентах получается содержание:

CO₂ = 14,13%;

H₂O = 5,27%;

N₂ = 71,16%;

О₂ = 9,44%;

У = 100%.

Определим температуру горения доменного газа заданного состава без учета условий процесса сжигания, т.е температуру, которая характеризует само топливо. Используем метод последовательных приближений: будем находить для определенных температур соответствующие реальные (с учетом коэффициента избытка воздуха) теплоемкости продуктов сгорания, а потом по низшей теплоте сгорания определим теоретическую температуру горения доменного газа.

Формула для расчета реальной теплоемкости дымовых газов:

c_У = 0,01*(c_CO2*CO₂ + c_H2O*H₂O + c_N2* N₂ + c_O2* O₂), ккал/(м³*°С), (29)

Теплота дымовых газов будет равна:

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (30)

Для температуры t = 700°C:

c_CO2 = 0,4988, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,3940, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3233, ккал/(м³*°С);