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

c_O2 =0,3426, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,4988*14,12 + 0,3940*5,27 + 0,3233*71,16 + 0,3426* 9,44) =

= 0,354 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (31)

Q = 0,354*700* 3,071 = 760,1 ккал/м³ ;

Для температуры t = 800°C:

c_CO2 = 0,5090, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,3984, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3265, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3463, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,5090*14,12 + 0,3984*5,27 + 0,3265*71,16 + 0,3463* 9,44) =

= 0,358 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (31)

Q = 0,358*800* 3,071 = 879,5 ккал/м³;

Для температуры t = 900°C:

c_CO2 = 0,5181, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,4050, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3295, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3498, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,5181*14,12 + 0,4050*5,27 + 0,3295*71,16 + 0,3498* 9,44) =

= 0,362 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (32)

Q = 0,362*900* 3,071 = 1000,7 ккал/м³;

Так как Q_н^вл = 921,8 ккал/м³, то температура горения будет находиться между 800°С и 900°С. Составляем пропорцию и получаем t = 834,9°С,

c_У =0,3606 ккал/(м³*°С) = 1,62 кДж/(м³*°С).

Для проверки точности расчета определим эту температуру аналитическим способом. Зададимся интервалом температур и найдем теплосодержание дымовых газов.

Для температуры t = 800°C:

i_CO2 = 407,2, ккал/м³;

i_H2O = 318,7, ккал/м³;

i_N2 =261,2, ккал/м³;

i_O2 =277, ккал/м³;

i_У = 0,01*(i_CO2*CO₂ + i_H2O*H₂O + i_N2* N₂ + i_O2* O₂), ккал/м³ , (33)

i_У = 0,01*(407,2*14,12 + 318,7*5,27 + 261,2*71,16 + 277* 9,44) =

= 286,57 ккал/м³;

Для температуры t = 900°C:

i_CO2 = 466,3, ккал/м³;

i_H2O = 364,5, ккал/м³;

i_N2 =296,6, ккал/м³;

i_O2 =314,8, ккал/м³;

i_У = 0,01*(466,3*14,12 + 364,5*5,27 + 296,6*71,16 + 314,8* 9,44) =

= 326,13 ккал/м³;

Определим удельное теплосодержание дымовых газов:

i_д.г. = Q_н^вл/V_б, ккал/м³ , (34)

i_д.г. = 921,8/3,071 = 300,2 ккал/м³;

Этой теплоемкости соответствует t = 834,6°C. Значит, ранее температура была определена верно.

Теперь определим действительную температуру горения дымовых газов с учетом процесса горения. В горелку подается воздух с температурой t = 300°С. Этот воздух пойдет от охлаждения агломерата с линейных охладителей в соответствии с разрабатываемым проектом по оптимизации и использованию низкопотенциальных тепловых ресурсов. Коэффициент избытка воздуха, идущего в горелку, будет равен б = 1.

, °С, (35)

где с_Т - теплоемкость топлива, ккал/(м³*°С);

t_Т - температура топлива на входе в горелку,°С;

c_пв- теплоемкость подогретого воздуха, ккал/(м³*°С);

с_в - теплоемкость воздуха при t=20°C, ккал/(м³*°С);

t_пв - температура подогретого воздуха,°С; t_в - температура воздуха,°С;

з' - коэффициент потери теплосодержания продуктов горения;

з''- коэффициент тепловыделения, характеризующий потери тепла от недостаточно интенсивного перемешивания реагирующих веществ;

=

= 677,3 °С,

Данное значение температуры удовлетворяет условию, при котором кокс в агломерационной шихте не воспламенится, т.е. t_д <700 °С.

В барабане происходит конвективный и лучистый теплообмен между дымовыми газами и увлажненной шихтой, т.е. дымовые газы передают теплоту шихте и воде путем конвекции и лучистого теплообмена. Эта теплота будет полезной, так как технологический процесс и представляет собой нагрев этих двух компонентов. Получаем:

Q_пол = Q_конв + Q_луч = Q_шихты + Q_воды (36)

Q_шихты + Q_воды = 3,068 + 0,3 = 3,368 Гкал/ч = 14,11 ГДж/ч.

Так как состав доменного газа непостоянен и изменяется во времени, то изменяется и его теплота сгорания. Она находится в пределах 850 - 1100 ккал/м³. При минимальной теплоте сгорания потребуется газа на 8% больше, чем при Q_н^вл = 921,8 ккал/м³, поэтому для учета этой неравномерности введем поправочный коэффициент:

Q_пол = 1,1*3,368 = 3,7048 Гкал/ч = 15,52 Гкал/ч.

Формула для конвективного теплообмена имеет вид:

Q_конв = б _конв *?t*F, Гкал/ч , (37)

где б _конв- коэффициент теплоотдачи конвекцией, ккал/(м²*°С),

?t - перепад температур между дымовыми газами и воздухом,°С,

F - площадь поверхности теплообмена, м².

Выразим коэффициент теплоотдачи:

Nu = 0,037*Re^0,8 (38)

Nu = б*d_экв/л (39)

Найдем число Рейнольдса:

Re=щ*l/н (40)

где щ - скорость движения дымовых газов в барабане, м/с;

н - кинематическая вязкость среды, м²/с, l- определяющий размер, м.

Найдем эквивалентный диаметр барабана:

d_экв = 4*F / П (41)

d_экв = 4*0,88*8,04 / 10,048=2,816 м.

щ =B* L_т'/(р* d²_экв*3600/4), м/,с (42)

щ = 4000* 0,829/(р* 2,816²*3600/4) = 0,548, м/с;

Для числа Рейнольдса определяющим размером будет длина слоя шихты в барабане. Барабан заполнен не на всю длину, l=11,7 м.

Re=0,548*11,7/112,1*10⁶ = 57216

Тогда:

Nu = 0,037*57216^0,8 = 236,72.

Выразим коэффициент теплоотдачи:

б = л* Nu/ d_экв (43)

б = 0,0712* 236,72/ 11,7 = 1,44 ккал/(м²*°С).

Теплообмен в барабане представляет процесс обмена теплотой между дымовыми газами и поверхностью слоя шихты, которая представляет пластину. Это допущение можно сделать исходя из малой порозности слоя шихты и малой скорости вращения барабана-окомкователя. Тогда найдем длину этого слоя за час работы барабана.

Найдем количество шихты, которое постоянно находится в барабане:

G_м = V_б*с_нас*в, т, (44)

где с_нас - насыпная плотность материала в сушилке, т/м³;

в - коэффициент заполнения барабана материалом,

V_б - объем барабана, м³;

G_м = 100,48*1,9*0,12 = 22,92 т;

Следовательно, для нагрева 265 тонн шихты барабан должен совершить 265/22,92 = 11,562 циклов. Тогда длина слоя будет равна:

L = 11,562*11,7 = 135,275 м.

Барабан заполнен шихтой на 12%. Графическим способом найдем ширину слоя. Она равна 2,24 м.

Q_конв = 1,44 *(120-20)*135,275*2,24/1000000 = 0,243 Гкал/ч = 1,02 ГДж/ч.

Формула для лучистого теплообмена имеет вид:

Q_луч = , Гкал/ч , (45)

где c_пр- приведенный коэффициент излучения, ккал/(м²*ч*°С⁴), который равен:

c_пр = , ккал/(м²*ч*°С⁴), (46)

где е₁ и е₂ - степени черноты дымовых газов и шихты.

Газы могут излучать и поглощать лучи лишь некоторых длин волн, а для остальных длин они теплопрозрачны. Двухатомные газы практически теплопрозрачны во всем диапазоне длин волн. Следовательно, степень черноты дымовых газов будет складываться из степеней черноты CO₂ и H₂O, взятых при температуре дымовых газов внутри барабана.

c_пр = =1,4 , ккал/(м²*ч*°С⁴);

Q_луч =с_пр* *303,016 = 3,369 Гкал/ч = 14,12 ГДж/ч.

Как видно из вычислений, теплоотдача лучами имеет гораздо большее влияние на процесс теплообмена, чем конвекция. Это является следствием малой скорости движения в барабане дымовых газов, которая является важной характеристикой конвекции.

Полезная теплота, воспринятая водой и шихтой при расходе топлива 4000 м³/ч, будет равна:

Q_пол = Q_конв + Q_луч, Гкал/ч, (47)

Q_пол = 0,243 + 3,369 = 3,612 Гкал/ч = 15,13 ГДж/ч.;

Ранее посчитанное значение было Q_пол = 3,7048 Гкал/ч. Так как зависимость между полезно затраченной теплотой и количеством топлива нелинейна, то найти нужное количество топлива, составив пропорцию, нельзя. Поэтому нужно описать процессы горения и теплопередачи в программе Microsoft Excel, используя основные уравнения и зависимости. В итоге получено значение B = 4081 м³/ч.

Количество топлива, требуемое для горения, изменилось. Следовательно, изменились и все основные параметры процесса. Пересчитаем их с новым B = 4081 м³/ч.

Пересчитаем коэффициент избытка воздуха б:

б = (V_подс+ V_в)/ V_в (48)

б = (5524+ 3383)/ 3383=2,63.

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 (49)

V_CO2 = 0,01*(CO₂ + CO + CH₄ + 2*C₂H₄), м³/м³ (50)

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 (51)

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 (52)

V_N2 = 0,01*43,961 + 0,79*0,829*2,63 = 2,164, м³/м³;

V_О2 = 0,21*(б-1)* L_т' , м³/м³ (53)

V_О2 = 0,21*(2,63-1)* 0,829 = 0,284 , м³/м³;

V_б = 0,434 + 0,162 + 2,164 + 0,284 = 3,043, м³/м³;

В процентах получается содержание:

CO₂ = 14,25%;

H₂O = 5,31%;

N₂ = 71,10%;

О₂ = 9,34%;

У = 100%.

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), (54)

Теплота дымовых газов будет равна:

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (55)

Для температуры t = 800°C:

c_CO2 = 0,5090, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,3984, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3265, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3463, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,5090*14,25 + 0,3984*5,31 + 0,3265*71,10 + 0,3463* 9,34) =

= 0,358 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (56)

Q = 0,358*800* 3,043 = 872,1 ккал/м³;

Для температуры t = 900°C:

c_CO2 = 0,5181, ккал/(м³*°С);

c_H2O = 0,4050, ккал/(м³*°С);

c_N2 =0,3295, ккал/(м³*°С);

c_O2 =0,3498, ккал/(м³*°С);

c_У = 0,01*(0,5181*14,25 + 0,4050*5,31 + 0,3295*71,10 + 0,3498* 9,34) =

= 0,362 ккал/(м³*°С);

Q = c_У*t* V_б, ккал/м³ , (57)

Q = 0,362*900* 3,043 = 922,3 ккал/м³;

Так как Q_н^вл = 921,8 ккал/м³, то температура горения будет находиться между 800°С и 900°С. Составляем пропорцию и получаем t = 841,35°С, c_У =0,3596 ккал/(м³*°С).

Теперь определим действительную температуру горения дымовых газов с учетом процесса горения. В горелку подается воздух с температурой t = 300°С. Этот воздух пойдет от охлаждения агломерата с линейных охладителей в соответствии с разрабатываемым проектом по оптимизации и использованию низкопотенциальных тепловых ресурсов. Коэффициент избытка воздуха, идущего в горелку, будет равен б = 1.

, °С (58)

где с_Т - теплоемкость топлива, ккал/(м³*°С);

t_Т - температура топлива на входе в горелку,°С;

c_пв- теплоемкость подогретого воздуха, ккал/(м³*°С);

с_в - теплоемкость воздуха при t=20°C, ккал/(м³*°С);

t_пв - температура подогретого воздуха,°С;

t_в - температура воздуха,°С;

з' - коэффициент потери теплосодержания продуктов горения;

з''- коэффициент тепловыделения, характеризующий потери тепла от недостаточно интенсивного перемешивания реагирующих веществ;

=

=683,4 °С,

Данное значение температуры удовлетворяет условию, при котором кокс в агломерационной шихте не воспламенится, т.е. t_д <700 °С.

Теперь пересчитаем конвективный теплообмен:

Q_конв = б _конв *?t*F, Гкал/ч, (59)

где б _конв- коэффициент теплоотдачи конвекцией, ккал/(м²*°С),

?t - перепад температур между дымовыми газами и воздухом,°С,

F - плошадь поверхности теплообмена, м².

Выразим коэффиициент теплоотдачи:

Nu = 0,037*Re^0,8 (60)

Nu = б*d_экв/л (61)

Найдем число Рейнольдса:

Re=щ*l/н (62)

где щ - скорость движения дымовых газов в барабане, м/с;

н - кинематическая вязкость среды, м²/с,

l- определяющий размер, м.

Найдем эквивалентный диаметр барабана:

d_экв = 4*F / П (63)

d_экв = 4*0,88*8,04 / 10,048=2,816 м.

щ =B* L_т'/(р* d²_экв*3600/4), м/с, (64)

щ = 4081* 0,829/(р* 2,816²*3600/4) = 0,554, м/с.

Для числа Рейнольдса определяющим размером будет длина слоя шихты в барабане. Барабан заполнен не на всю длину, l=11,7 м.

Re=0,554*11,7/112,1*10⁶ = 57846.

Тогда:

Nu = 0,037*57846^0,8 = 238,8.

Выразим коэффициент теплоотдачи:

б = л* Nu/ d_экв (65)

б = 0,0712* 238,8/ 11,7 = 1,45 ккал/(м²*°С).

Найдем количество шихты, которое постоянно находится в барабане:

G_м = V_б*с_нас*в, т, (66)

где с_нас - насыпная плотность материала в сушилке, т/м³;

в - коэффициент заполнения барабана материалом,

V_б - объем барабана, м³;

G_м = 100,48*1,9*0,12 = 22,92 т;