Выбор рациональной структуры тепловой схемы

 

Для крупнокускового технологического сырья вопрос о выборе более выгодных технологических условий в рабочем пространстве высокотемпературной технологической установки однозначно решается в пользу фильтруемого плотного слоя с противоположным движением кусковых материалов сверху вниз и газов снизу вверх. Такие условия реализуются в конструктивной схеме шахтной печи, имеющей кроме зоны высоких температур (зоны обжига и горения) еще две технологические зоны рабочего пространства: экономайзерную зону (ЭЗ) и зону регенеративного охлаждения (ЗРО) технологического продукта.

Так как в зоне обжига происходит диссоциация известняка, то целесообразно технологическое сырье в эту зону подавать с температурой равной температуре начала диссоциации, которая находится в интервале от 850  до 950 :

 

 

Температуру технологического продукта на выходе принимаем равной температуре на выходе равной 1300 :

 

 

Через зону регенеративного охлаждения шахтных печей, отапливаемых природным газом, экономически выгодно пропускать только часть расходуемого на сжигания топлива воздуха, что по условию задана и равна 30%, и температура воздуха на выходе принимаем на 5% ниже температуры технологического продукта на выходе из ЗО:

,

 

а остальная часть воздуха подаётся через двухпроводные горелки и воздушные сопла в зону обжига (ЗО) (70%). Такая схема распределения воздуха обеспечивает удовлетворительную плотность сжигания природного газа при относительно небольших коэффициентах избытка воздуха.

При определенных условиях нагрева воздуха, вводимого в зону обжига, помимо зоны регенеративного обогрева, можно добиться заметного снижения видимого удельного расхода топлива в процессе. Учитывая, что подводимый к двухпроводным горелкам и к воздушным соплам зоны обжига воздух нагревается теплотой отходящих газов в воздухоподогревателе (ВП), то принимаем температуру технологического сырья на 5% меньше температуры отходящих газов:

 

 

Следовательно, для уменьшения потерь тепла и расхода топлива, целесообразно принять температуры равными:

 

 

Тепловая схема известково-обжигательной шахтной печи представлена на рис.1

 

Рис. 1 Тепловая схема

 

Математическая формулировка задачи о выводе параметров тепловой схемы сводится к записи системы уравнений тепловых балансов зоны обжига (ЗО), экономайзерной зоны (ЭЗ), воздухоподогревателя (ВП) и зоны регенеративного охлаждения (ЗРО) технологического продукта.

Запишем уравнение теплового баланса для зоны обжига:

 

,

 

где - химическая теплота топлива, ;

 -энтальпия поступающего топлива,  ;

- энтальпия воздуха при входе в ЗО из ВП,  ;

-энтальпия горячего воздуха при входе в ЗО из ЗРО, ;

- энтальпия технологического сырья при входе в ЗО,  ;

- энтальпия технологического продукта на выходе из ЗО, ;

-тепловой эффект эндотермической реакции и фазовых превращений

в ЗО,  ;

 - энтальпия отходящих газов из ЗО,  ;

- теплота химического недожога в ЗО,  ;

 - потери теплоты через ограждения ЗО,  .

Уравнение теплового баланса в экономайзерной зоне имеет вид:

 

 

где -энтальпия технологического сырья в ЭЗ, ;

 -энтальпия отходящих газов из ЭЗ,  ;

- теплота химического недожога в ЭЗ,  ;

-тепловой эффект эндотермической реакции и фазовых превращений в ЭЗ,

 -потери теплоты через ограждения в ЭЗ,  .

Уравнение теплового баланса в воздухоподогревателе примет вид:

 

,

 

где - энтальпия холодного воздуха, поступающего в ВП, ;

- энтальпия уходящих газов, ;

- энтальпия горячего воздуха, уходящего из ВП,  ;

- потери теплоты через ограждения ВП, .

Уравнения теплового баланса в зоне регенеративного подогрева:

 

 

где - энтальпия холодного воздуха, поступающего в ЗРО,

-энтальпия технологического продукта, поступающего в ЗРО, ;

- потери теплоты через ограждения ЗРО,  .

Определение параметров тепловой схемы целесообразно выполнять в следующем порядке:

Находим слагаемые уравнения теплового баланса:

Удельный расход технологического сырья, проходящего через входное сечение ЗО, , , рассчитываемся по формуле:

 

,

 

следовательно

 

 

Энтальпия технологического сырья при входе в ЗО , , рассчитываемся по формуле:

 

,

 

где - теплоемкость технологического сырья при температуре ., [1, стр.19].

 

 

Энтальпия технологического продукта на выходе из ЗО ,  , определяется по формуле:

 

 ,

 

где -теплоемкость технологического продукта при температуре .[1, стр.19].

 

 

Тепловой эффект эндотермической реакции и фазовых превращений в ЗО определяют по формуле:

 

,

 

следовательно

.

 

Определяем видимый удельный расход топлива в , по формуле:

 

,

 

доля воздуха, проходящего через ЗРО

энтальпия горячего воздуха

коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду из цели экономия топлива в шахтной печи выбирают из интервала =0,15…0,20

Теплота сгорания топлива , , определяют по формуле:

 

где

 

удельные теплоты сгорания соответствующих компонентов ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , [5,стр.17].

Удельная теплоемкость топлива  , , при температуре , определяют по формуле:

где ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  

 

-удельные теплоемкости соответствующих компонентов , , , , , , , ,. [1, стр.19].

Энтальпия горячего воздуха на выходе из ВП вычисляется:

 

,

где

 

- удельная теплоемкость горячего воздуха на выходе из ВП, [1, стр.19].

 

 

Энтальпия горячего воздуха на выходе из ЗРО вычисляется по формуле:

 

,

где

 

- удельная теплоемкость горячего воздуха на выходе из ЗРО

 

Энтальпия отходящего газа из ЗО:

 

 

Тогда видимый удельный расход топлива равен:

 

 

Расход топлива  определяем по формуле:

 

,

где Р=1,5

 

- производительность шахтной известково-обжигательной печи (исходные данные).

 

 

Определяем энтальпию технологического сырья при входе в ЭЗ:

 

,

где  

– теплоемкость технологического сырья при температуре 20  , [1, стр.19].

 

 

Определяем тепловой эффект эндотермических реакций и фазовых превращений в ЭЗ:

 

, имеем:

 

Определяем энтальпию отходящих из ЗО газов, :

 

,

где

 

- теплоемкость углекислого газа, водяных паров, азота, кислорода при температуре 947,4 , [1, стр.19], следовательно

 

 

Определяем температуру отходящих газов:

 

 

Принимаем

Удельная теплоемкость отходящих газов  (3,стр.79), определяется по формуле:

 

, получаем:

;

 

Второе приближение: ;

 

;

;

 

Третье приближение: ;

 

;

;

 

Окончательно принимаем: - температура отходящих газов не высокая, значит и потери с отходящими газами будут небольшими.

Находим слагаемые уравнения теплового баланса ВП:

Энтальпию холодного воздуха  при входе в ВП определяем по формуле:

 

,

где

 

- теплоемкость холодного воздуха, поступающего при температуре 20

 

;

 

Энтальпия горячего воздуха  на выходе из ВП:

 

;

 

Определяем температуру уходящих газов:

 

;

 

Для определения температуры уходящих газов  , используется метод последовательных приближений и в первом приближении принимаем .

Определяем теплоемкость уходящего газа по формуле:

 

,

;

 

Второе приближение: ;

 

;

;

 

Окончательно принимаем: .

Находим слагаемые уравнения теплового баланса ЗРО:

Энтальпия холодного воздуха  при входе в ЗРО:

 

 

Энтальпия горячего воздуха  на выходе из ЗРО:

 

;

 

Определяем температуру технологического продукта:

 

,

 

где - теплоемкость технологического продукта при температуре технологического продукта, .

;

 

Первое приближение: ;

 

.

 

Окончательно принимаем: