Курсовая работа (т): Расчет процесса горения топлива и установки для его сжигания

Расчет процесса горения топлива и установки для его сжигания

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлургии цветных металлов

наименование кафедры

Курсовая работа

по дисциплине: Металлургическая теплотехника

Расчет процесса горения топлива и установки для его сжигания

Выполнил

Наумов Е.В.

Иркутск, 2014 г.

Содержание

Введение

. Теоретическая часть

.1 Классификация металлургических печей

.1.1 Классификация печей по принципу теплогенерации

.1.2 Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы

.2 Печи для рафинирования меди

.2.1 Основные характеристики и конструкция

.2.2 Конструкция стационарной отражательной печи для рафинирования меди

.2.3 Чертеж отражательной печи для огневого рафинирования и её техническая характеристика

. Расчет горения топлива

.1 Задание

.2 Перевод состава топлива на рабочую массу (масс. %)

. Итоговая таблица. Характеристика различных условий процесса горения топлива

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Топливо - вещество <#"793151.files/image001.gif">

Рис. 1 техническая характеристика анодных и вайербарсовых печей

В анодных печах можно перерабатывать как первичную так и вторичную черновую медь. Первая получается из руд и концентратов, вторая при переплавке вторичных металлов. В первичной черновой меди количество примесей, к которым относятся мышьяк, сурьма, свинец, олово, сера, железо и т.п., составляет от десятых долей до одного процента; во вторичной 2-4%.

Загружаемый материал может подаваться в печь как в твердом, так и в жидком состоянии. Соотношение между твердой и жидкой фазами зависит от условий конкретного производства. Когда загрузка целиком состоит из расплавленной черновой меди для анодной плавки, используют печи типа конвертера, которые не могут быть отнесены к плавильным агрегатам. В вайербарсовых печах переплавляется катодная медь повышенной чистоты (99,90 - 99,99% Сu). Однако в ней содержатся растворенные газы: оксид углерода, водород, сернистый ангидрид в количестве - 80 см³/кг металла, которые удаляются в процессе плавки.

Технологический процесс, осуществляемый в рафинировочных печах, протекает в четыре стадии, которые включают в себя: загрузку и плавление металла, окисление содержащихся в нем нежелательных примесей кислородом воздуха, восстановление переокисленной меди и разливку металла в изложницы. К недостаткам анодных и вайербарсовых печей можно отнести: повышенный удельный расход топлива; низкий коэффициент использования вспомогательного оборудования (механизмы для загрузки металла и разливочные машины), обусловленный периодичностью процесса; применение ручного труда (съемка шлака, загрузка шихты и т. п.). Основным направлением в совершенствовании конструкций анодных печей следует считать создание агрегатов подового типа с непрерывным режимом работы. Для переплавки катодов в последнее время все чаще применяют шахтные печи, а также индукционные, дуговые и вакуумные электропечи, в которых получается металл, обладающий высокими механическими свойствами и имеющий электропроводность на 4-5 % выше обычной вайербарсовой меди.

.2.2 Конструкция стационарной отражательной печи для рафинирования меди

Общий вид печи представлен на рис. 2. Ее возводят на мощном фундаменте, выполненном из бетона в виде монолитной плиты с наклонной поверхностью корытообразной формы, на которой установлены опорные столбики из шамотного кирпича, сечением 700x700 мм и высотой от 0,5 до 1,0 м.

Рис. 2. Общий вид анодной печи

Опорные столбики и уклон фундамента предназначены для того, чтобы обеспечить беспрепятственный сток металла в аварийной ситуации при его прорыве через подину, а также для создания условий эффективного охлаждения элементов металлического каркаса печи (поперечных тяг) за счет естественной циркуляции воздуха. На опорные столбики укладывают чугунную плиту толщиной ~ 25 - 50 мм, которая служит основанием подины.

Под печи выполняют в виде трехслойной обратной арки, имеющей уклон в сторону летки для выпуска металла. Между чугунной плитой и подом располагается прослойка из жаропрочного бетона. Нижний слой арки выкладывают из шамотного кирпича. Материал последующих слоев зависит от состава ванны. Для кислых ванн используют динасовые огнеупоры, для основных - хромомагнезитовые, магнезитохромитовые или периклазошпинелидные.

Стены печи возводят преимущественно из хромомагнезитового и магнезитохромитового огнеупорного кирпича. Для теплоизоляции стен используют шамот-легковес. Свод большегрузных печей имеет распорно-подвесное или подвесное исполнение, обычно он изготовляется из магнезитохромитового огнеупорного кирпича и имеет толщину 380 мм. В хвостовой части печи к своду примыкает вертикальный боров, который служит для отвода продуктов сгорания топлива.

Рафинировочные печи в основном отапливают природным газом, реже используют газо-мазутное отопление. Устройства для сжигания газа устанавливают в специальных отверстиях, расположенных в передней торцевой стенке печи, к которой со стороны печи примыкает камера для предварительного сжигания топлива. В отдельных случаях для отопления рафинировочных печей используют комбинированные газо-мазутные горелки. На большинстве заводов применяют горелки типа «труба в трубе».

Шихтовые материалы и жидкая черновая медь подаются в печь через специальные загрузочные окна в боковой стенке печи, размеры которых зависят от габаритов загружаемых слитков и способа загрузки. Обычно ширина рабочих окон составляет. 1,5 м, высота 1,0 м. Шлаковое окно расположено в задней торцевой стенке печи. Отверстие для выпуска металла имеет форму щели, высота которой соответствует уровню ванны. Оно расположено в боковой стенке печи и заделано специальной набивочной массой. Снаружи щель закладывают съемными чугунными плитами. При выпуске металла плиты и набивную массу из выпускной щели удаляют постепенно по мере понижения уровня ванны. Внутренние размеры щели зависят от емкости и назначения печи. Отношение длины ванны к ее ширине составляет величину порядка 3,5:2.

Для утилизации тепла отходящих газов рафинировочных печей используют в основном радиационно-конвективные рекуператоры, в которых осуществляется подогрев дутьевого воздуха до 500 - 550°С независимо от периода плавки. Применение рекуператоров позволяет на одной печи получить экономию топлива за счет нагрева дутья до 4 - 5 млн. м³ в год.

.2.3 Чертеж отражательной печи для огневого рафинирования и её техническая характеристика

Рисунок 3

Таблица 1. Техническая характеристика

2. Расчет горения топлива

.1 Задание

Рассчитать процесс горения топлива, заданного состава на воздухе. Состав воздуха: 21 об. % О₂ и 79 об. % N₂. Коэффициент избытка воздуха б = 1. Состав топлива: С^г = 90,0 %; Н^г = 4,2 %; N^г = 1,5 %; О^г = 2,1 %; S^г = 2,2 %; А^с = 12,0 %; W^р = 3,0 %.

Рассчитать процесс сжигания топлива заданного состава на воздухе. Состав воздуха: 30 об. % О₂ и 70 об. % N₂. Коэффициент избытка воздуха б = 1.

Рассчитать количество кислорода воздуха, продукт полного сгорания топлива. Определить теплотворную способность топлива, калориметрическую и действительную температуру процессов сгорания.

Рассчитать процесс горения топлива на воздухе, обогащённом кислородом. Состав воздуха: 100 об. % О₂. Коэффициент избытка воздуха б = 1.

Рассчитать процесс сгорания топлива в обогащённом кислородом воздухе. Состав воздуха: 21 об. % О₂ и 79 об. % N₂. Коэффициент избытка воздуха б = 1,3.

Рассчитать количество кислорода воздуха, продукт полного сгорания топлива, определить калориметрическую и действительную температуру полного сгорания.

Рассчитать процесс горения топлива в атмосфере чистого кислорода.

Состав воздуха: 30 об. % О₂ и 79 об. % N₂. Коэффициент избытка воздуха б = 1.3.

Рассчитать процесс горения топлива заданного состава в атмосфере чистого кислорода. Состав воздуха: 100 об. % О₂. Коэффициент избытка воздуха б = 1,3.

Рассчитать количество кислорода воздуха, продукт полного сгорания топлива, определить калориметрическую и действительную температуру полного сгорания.

Сопоставить результаты расчета.

.2 Перевод состава топлива на рабочую массу (масс. %)

Проверка:

Мольные объёмы O₂ на 100 кг топлива заданного состава.

Расход кислорода на горение топлива заданного состава

Так как в топливе уже имеется 0,056 мольных объёмов O₂ → из воздуха нужно добавить 7,3575 - 0,056 =7,3015 мольных объёмов.

Определение теплоты сгорания топлива

1. Расчет процесса горения топлива при составе воздуха: O₂ - 21 об. %; N₂ - 79 об. %; б = 1.

N₂ из воздуха:

 мольных объемов.

Общее количество воздуха поступившее в топку при сжигании 100 кг топлива заданного состава:

 мольных объемов.

Количество воздуха необходимое на сгорание 1 кг (удельный расход):

Т - теоретическая (когда все идет по стехиометрическим коэффициентам);

д - действительный удельный расход.

Определение состава и количества продуктов горения при теоретическом расходе топлива (табл. 1)

Состав и количество продуктов горения: O₂ - 21 об. %; N₂ - 79 об. %; коэффициент избытка воздуха б = 1

Таблица 2

_Г - объем газа = V_пр - продуктов сгорания._Г = м³/кг.

При сгорании 1 кг топлива заданного состава образуется 8,050 м³ газа.

 1 м³ газов имеет вес 1,355 кг.

Таблица 3. Балансовая таблица сжигания топлива O₂ - 21 об. %; N₂ - 79 об. %; б = 1

Определение калориметрической температуры горения топлива в необогащенном воздухе

₀ - начальная энтальпия.- масса сгоревшего топлива._{пр. сг.} - объем продуктов сгорания, м³. V_{пр. сг.} = 8,050 м³/кг.

 = 28866,74 кДж/кг.

₂ 0,2581  1041,48 = 268,806 ккал/м³;₂O 0,0324  819,18 =26,541 ккал/м³;₂ 0,0035  1000,80 = 3,503 ккал/м³;₂ 0,7060  632,16 =446,305 ккал/м³;

₂ = 2100₂ 0,2581  1238,79 = 319,732 ккал/м³;₂O 0,0324  984,68 = 31,903 ккал/м³;₂ 0,0035  1265,00 =4,427 ккал/м³;₂ 0,7060  748,02 =528,102 ккал/м³;

Рисунок 4

. Расчет процесса горения топлива при составе воздуха: O2 - 30 об. %; N2 - 70 об. %; б = 1.

N₂ из воздуха:

 мольных объемов.

Общее количество воздуха поступившее в топку при сжигании 100 кг топлива заданного состава:

 мольных объемов.

Количество воздуха необходимое на сгорание 1 кг (удельный расход):

Определение состава и количества продуктов горения при теоретическом расходе топлива (табл. 3)

Состав и количество продуктов горения: O₂ - 30 об. %; N₂ - 70 об. %; коэффициент избытка воздуха б = 1

Таблица 4

_Г = V_{пр. сг. Г} = м³/кг.

При сгорании 1 кг топлива заданного состава образуется 5,71 м³ газа.

 1 м³ газов имеет вес 1,399 кг.

Таблица 5. Балансовая таблица сжигания топлива O₂ - 30 об. %; N₂ - 70 об. %; б = 1

Определение калориметрической температуры горения топлива в обогащенном воздухе

₀ - начальная энтальпия.- масса сгоревшего топлива._{пр. сг.} - объем продуктов сгорания, м³. V_{пр. сг.} = 5,71 м³/кг.

 = 28866,74 кДж/кг.

₁ = 1800₂ 0,3525  1041,48 = 367,122 ккал/м³;₂O 0,0442  819,18 = 36,208 ккал/м³;₂ 0,0047  1000,80 = 4,704 ккал/м³;₂ 0,5986  632,16 = 378,411 ккал/м³;

₂ = 2100₂ 0,3525  1238,79 = 436,673 ккал/м³;₂O 0,0442  984,68 = 43,523 ккал/м³;₂ 0,0047  1265,00 = 5,946 ккал/м³;₂ 0,5986  748,02 = 447,765 ккал/м³;

Рисунок 5

3. Расчет процесса сгорания топлива в атмосфере чистого O₂: O₂ - 100 об. %; б = 1.

N₂ из воздуха:

Общее количество воздуха поступившее в топку при сжигании 100 кг топлива заданного состава:

мольных объемов.

Количество воздуха необходимое на сгорание 1 кг (удельный расход):

Определение состава и количества продуктов горения при теоретическом расходе топлива.

Состав и количество продуктов горения: O₂ - 100 об. %; б = 1

Таблица 6

_Г = м³/кг.

При сгорании 1 кг топлива заданного состава образуется 1,897 м³ газа.

 1 м³ газов имеет вес 1,697 кг.

Таблица 7. Балансовая таблица сжигания топлива O₂ - 100 об. %; б = 1

Определение калориметрической температуры горения топлива

₀ - начальная энтальпия.- масса сгоревшего топлива._{пр. сг.} - объем продуктов сгорания, м³. V_{пр. сг.} = 1,897 м³/кг.

 = 28866,74 кДж/кг.

₁ = 1800₂ 0,8746  1041,48 = 910,878 ккал/м³;₂O 0,1097  819,18 = 89,864 ккал/м³;₂ 0,0117  1000,80 = 11,709 ккал/м³;₂ 0,0040  632,16 = 2,529 ккал/м³;

₂ = 2100₂ 0,8746  1238,79 = 1083,446 ккал/м³;₂O 0,1097  984,68 = 108,019 ккал/м³;₂ 0,0117  1265,00 = 14,801 ккал/м³;₂ 0,0040  748,02 = 2,992 ккал/м³;

Рисунок 6

4. Расчет процесса горения топлива при составе воздуха: O₂ - 21 об. %; N₂ - 79 об. %; б = 1,3.

N₂ из воздуха:

 мольных объемов.

Общее количество воздуха поступившее в топку при сжигании 100 кг топлива заданного состава:

 мольных объемов.

Количество воздуха необходимое на сгорание 1 кг (удельный расход):

д - действительный удельный расход.

Состав и количество продуктов горения: O₂ - 21 об. %; N₂ - 79 об. %; коэффициент избытка воздуха б = 1,3

Таблица 8

_Г = м³/кг.

При сгорании 1 кг топлива заданного состава образуется 7,35 м³ газа.

 1 м³ газов имеет вес 1,377 кг.

Таблица 9. Балансовая таблица сжигания топлива O₂ - 21 об. %; N₂ - 79 об. %; б = 1,3

Определение калориметрической температуры горения топлива в необогащенном воздухе

₀ - начальная энтальпия.- масса сгоревшего топлива._{пр. сг.} - объем продуктов сгорания, м³. V_{пр. сг.} = 7,35 м³/кг.

 = 28866,74 кДж/кг.

₁ = 1800₂ 0,2782  1041,48 = 289,740 ккал/м³;₂O 0,0349  819,18 = 28,589 ккал/м³;₂ 0,0037  1000,80 = 3,703 ккал/м³;₂ 0,6139  632,16 = 388,083 ккал/м³;₂ 0,0693  668,88 = 46,353 ккал/м³;

₂ = 2100₂ 0,2782  1238,79 = 344,631ккал/м³;₂O 0,0349  984,68 = 34,365ккал/м³;₂ 0,0037  1265,00 = 4,681ккал/м³;₂ 0,6139  748,02 = 459,209ккал/м³;₂ 0,0693  791,7 = 50,590ккал/м³;

Рисунок 7

5. Расчет процесса горения топлива при составе воздуха: O₂ - 30 об. %; N₂ - 70 об. %; б = 1,3.

N₂ из воздуха:

 мольных объемов.

Общее количество воздуха поступившее в топку при сжигании 100 кг топлива заданного состава:

 мольных объемов.

Количество воздуха необходимое на сгорание 1 кг (удельный расход):

Определение состава и количества продуктов горения при действительном расходе топлива (табл. 9)

Состав и количество продуктов горения: O₂ - 30 об. %; N₂ - 70 об. %; коэффициент избытка воздуха б = 1,3

Таблица 10

_Г = м³/кг.

При сгорании 1 кг топлива заданного состава образуется 7,348 м³ газа.

 1 м³ газов имеет вес 1,336 кг.

Таблица 11. Балансовая таблица сжигания топлива O₂ - 30 об. %; N₂ - 70 об. %; б = 1,5

Определение калориметрической температуры горения топлива в обогащенном воздухе

_{пр. сг.} = 7,384 м³/кг.

 = 28866,74 кДж/кг.

₁ = 1800₂ 0,2783  1041,48 = 289,844ккал/м³;₂O 0,0349  819,18 = 28,589ккал/м³;₂ 0,0037 1000,80 = 3,703ккал/м³;₂ 0,6139 632,16 = 388,083ккал/м³;₂ 0,0692  668,88 = 46,286ккал/м³;

₂ = 2100₂ 0,2783  1238,79 = 292,231 ккал/м³;₂O 0,0349  984,68 = 58,884 ккал/м³;₂ 0,0037 1265,00 = 1,139 ккал/м³;₂ 0,6139 748,02 = 452,402 ккал/м³;₂ 0,0692  791,7 = 78,062 ккал/м³;

Рисунок 8

. Расчет процесса сгорания топлива в атмосфере чистого O2: O2 - 100 об. %; б = 1,3.из воздуха:

Общее количество воздуха поступившее в топку при сжигании 100 кг топлива заданного состава:

мольных объемов.

Количество воздуха необходимое на сгорание 1 кг (удельный расход):

Определение состава и количества продуктов горения при действительном расходе топлива (табл. 11)

Состав и количество продуктов горения: O₂ - 100 об. %; б = 1,5

Таблица 12

_Г = м³/кг.

При сгорании 1 кг топлива заданного состава образуется 2,387 м³ газа.

 1 м³ газов имеет вес 1,643 кг.

Таблица 13. Балансовая таблица сжигания топлива O₂ - 100 об. %; б = 1

Определение калориметрической температуры горения топлива в обогащенном воздухе

_{пр. сг.} = 2,387 м³/кг.

 = 28866,74 кДж/кг.

₁ = 1800₂ 0,7183  1041,48 = 748,095 ккал/м³;₂O 0,0901  819,18 = 73,808ккал/м³;₂ 0,0096  1000,80 = 9,608ккал/м³;₂ 0,0033  632,16 = 2,086ккал/м³;₂ 0,1787  668,88 = 119,529ккал/м³;

₂ = 2100₂ 0,7183  1238,79 = 889,823 ккал/м³;₂O 0,0901  984,68 = 88,720 ккал/м³;₂ 0,0096  1265,00 = 12,144 ккал/м³;₂ 0,0033  748,02 = 2,468 ккал/м³;₂ 0,1787  791,70 = 141,427 ккал/м³;

Рисунок 9

3. Итоговая таблица. Характеристика различных условий процесса горения топлива

Все полученные результаты сгорания топлива при различных условиях приведены в таблице 14

Таблица 14. Характеристика различных условий процесса горения топлива

Заключение

Целью данного расчета являлось определение расхода воздуха, количества и состава продуктов горения, а также определение калориметрической и действительной температуры горения при разных составах воздуха и значений коэффициента избытка воздуха (б).

Результаты расчета показывают, что обогащение воздуха, расходуемого на горение топлива, кислородом уменьшает расход воздуха, количество продуктов сгорания, а следовательно, увеличивает калориметрическую температуру горения. По расчетам мы видим, что увеличение величины коэффициента избытка воздуха приводит к увеличению количества образующихся продуктов сгорания, что снижает начальную энтальпию и калориметрическую температуру горения.

Исходя из выше сказанного, наиболее предпочтительным вариантом для нас является состав воздуха: O₂ - 30 об. %; N₂ - 70 об. %; коэффициент избытка воздуха б = 1,3. Существует вероятность того, что из-за низкого коэффициента б в процессе будет недостаточно кислорода, поэтому желательно установить б = 1,3.

печь теплогенерация медь топливо

Список используемой литературы

1.      Кузьмина М.Ю. Теплотехника: программа и методические указания к выполнению курсового проекта. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. 76с.

.        Гущин. С.Н., Телегин А.С., Лобанов В.И., Корюков В.Н. Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства: Учеб. Для вузов. Москва: Изд-во «Металлургия», 1993. 366 с.

.        Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С. и др. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т. 1. Теоретические основы: Учеб. Для вузов. Москва: Изд-во «Металлургия», 1986. 426 с.

.        Кривандин В.А., Неведомская И.Н., Кобахидзе В.В. и др. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т. 2. Конструкция и работа печей: Учеб. Для вузов. Москва: Изд-во «Металлургия», 1986. 592 с.

.        Кривандин В.А., Миткалинный В.И., Морозов В.А. и др. Металлургическая теплотехника. Атлас: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М. Москва: Изд-во «Металлургия», 1987.

.        Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургии. Москва: Изд-во «Металлургия», 1970. 704 с.