Расчет воздухоподогревателя доменной печи

Министерство  образования  РФ

Старооскольский Технологический Институт

(филиал)

Московского Государственного Института

Стали  и  Сплавов

(Технологического Университета)

                   

 

 

Кафедра МТП

 

                                     

 

Курсовая работа

 

по дисциплине: «Теплотехника»

на тему: «Расчет воздухоподогревателя доменной печи»

                               

        

 

                           

 Выполнил: ст. гр. ТФА

    Пешков С.А.

Проверила: ст. препод.

Трубчанинова А.Л.

 

 

 

 

                             г.  Старый  Оскол 

2005 г.

 

РАСЧЕТ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

 

Доменная печь объемом 3200 м3 оборудована 4 воздухонагревателями, работающими последовательно.

Расход воздуха на печь VB= 95 м3/с (342000 м3/ч). Температура нагрева воздуха tB=1300°C. Насадка воздухонагревателя выполнена из блочного кирпича с вертикальными выступами и горизонтальными проходами. Материал насадки — динас (верх) и шамот (низ). Нагрев воздухонагревателя производится смешанным коксодоменным газом с теплотой сгорания QPн смеси = 7.2 МДж/м3.

Определить геометрические размеры воздухонагревателя.

Расчет горения коксодоменного газа с коэффициентом расхода воздуха n =1,1.

Состав сухих газов: (коксовый) СО2 = 2,5%, СО = 7,38%, Н2 = 54,92%, N2 = 3,66%, СН4 = 25,38%, С2Н4 = 4,25%, О2 = 1,66%.

Доменный: СО2 = 11%, СО = 30,5%, Н2 = 2,5%, N2 = 55,1%, СН4 = 0,9%.

Принимая влажность коксового газа равной Wк = 25 г/м3, а влажность доменного газа Wд = 25 г/м3, по формулам рассчитываем состав влажных газов:

хвл = хсух ×100/(100 + 0,1242×W),

хквл = хксух ×100/(100 + 0,1242×25) = 0,97 ×хксух,

хдвл = хдсух ×100/(100 + 0,1242×30) = 0,964 ×хдсух.

Тогда состав влажных газов: коксовый

СО2 = 2,42%, СО = 7,16%, Н2 = 53,27%, N2 = 3,55%, СН4 = 24,61%, С2Н4 = 4,12%, О2 = 1,61%, Н2О = 3,26 %.

Доменный: СО2 = 10,6%, СО = 29,4%, Н2 = 2,41%, N2 = 53,11%, СН4 = 0,87%, Н2О = 3,61 %.

Находим низшую теплоту сгорания газов:

QPн. кокс = 127,7СО + 108Н2 + 358×СН4 + 590×С2Н4 + 555× С2Н2 + 636×С2Н6 = 127,7×7,16 + 108×53,27 + 358×24,61 + 590×4,12 = 17908 кДж/м3.

QPн. дом = 127,7×29,4 + 108×2,41 + 358×0,87 = 4326 кДж/м3.

Находим долю каждого газа:

а = (QPн. кокс - QPн. смеси) / (QPн. кокс - QPн. дом) = (17908 – 7200)/(17908 – 4326) = 0,79

и хсм = хдом×а + хкокс(1-а) = хдом×0,79 + хкокс×0,21,

откуда

СОсм2 = 10,6×0,79 + 2,42×0,21 = 8,88%,

СОсм = 29,4×0,79 + 7,16×0,21 = 24,73%,

Н2см = 2,41×0,79 + 53,27×0,21 = 13,09%,

N2см = 53,11×0,79 + 3,55×0,21 = 42,7%,

СН4см = 0,87×0,79 + 24,61×0,21 = 6,01%,

С2Н4см = 0×0,79 + 4,12×0,21 = 0,86%,

О2см = 0×0,79 + 1,61×0,21 = 0,34%,

Н2Осм = 3,61×0,79 + 3,26×0,21 = 3,54%,

å = 100%

Находим расход кислорода для сжигания смешанного газа при коэффициенте расхода воздуха n = 1.0:

Vo2 = 0,01[0,5(CO + H2) + å(m+n/4)CmHn] = 0,01[0,5(24,73 + 13,09) + (1+4/4) 6,01 + (2 + 4/4)× 0,86] = 0.335 м3/м3.

Расход сухого воздуха при n = 1,1

1,75 м3/м3.

где – отношение содержания и в дутье

Нахожу состав продуктов сгорания:

 СОсм2 + СОсм + 2×С2Н4см) = 0,01(6,01 + 8,88 + 24,73 + 2×0,86) = 0,41 м3/м3

+ Н2Осм + Н2см] = 0,01[0,5(4×0,86 + 4×6,01) + 3,54 + 13,09] = 0,3 м3/м3

+ 0,01× N2см = 1,1×3,762×0,335 + 0,01×42,7 = 1,81 м3/м3

(1,1 – 1)× 0,335 = 0,033 м3/м3.

Определяю суммарный объём продуктов сгорания:

0,41 + 0,3 + 1,81 + 0,033 = 2,56 м3/м3.

Рассчитаю процентный состав продуктов сгорания:

16%

11,75%

70,75%

1,5%

Правильность расчета проверим составлением материального баланса. 

 

Поступило, кг	Получено, кг
СО2 =0,088×1,963 = 0,17 СО = 0,25×1,25 = 0,31 СН4 = 0,06 · 0,716 = 0,04	СО2 = 0,41 ·1,963 = 0,804 Н2О = 0,3 · 0,804 = 0,241
С2Н4 = 0,0086×1,25 = 0,01 Н2 = 0,13×0,09 = 0,01 О2 = 0,0035 ·1,428 = 0,005 N2 = 0,427 ·1,25 =0,53 Н2О = 0,0354 · 0,804 =0,03 Всего: 1,105 Воздух: 1,75·1,29= 2,26 Итого: 3,36	N2 = 1,81 ·1,25 = 2,26 О2 = 0,033 ·1,428 = 0,047   Всего:  3,35

                         

Принимая, что воздух, поступающий в воздухонагреватель после воздуходувки, имеет температуру tнв =200°С, находим температуру продуктов сгорания.

Находим энтальпию продуктов сгорания

i0 = (7200+261,94×1,75)/2,56 = 2991 кДж/м3,

где iв = 261,94 кДж/м3 — энтальпия воздуха при tнв =200 °С .

Находим энтальпию продуктов сгорания при принятой температуре t’д=1700°С с использованием приложения.

i1700 = 4087,1×0,16 + 3203,05×0,1175 + 2632,09×0,015 + 2486,28×0,7075 = 2828,0 кДж/м3.

Поскольку i1700 < i0, принимаем t”д =1800°С и определим энтальпию продуктов сгорания при этой температуре

i1800 = 4360,67×0,16 + 3429,9×0,1175 + 2800,48×0,015 + 2646,76×0,7075 = 3015,4 кДж/м3.

Находим истинную калориметрическую температуру продуктов сгорания                

tк = 1700 + (2991 – 2828)×100/(3015,4 – 2828) = 1787°С

Так как для топочных камер hпир= 0,95, действительная температура продуктов сгорания равна

tд = hпир× tк = 0,95 • 1787 = 1697°С.

Принимая снижение температуры продуктов сгорания до поступления в насадку равным 3 % от tд найдем температуру дымовых газов на входе в насадку сверху tнд =0,97×1697= 1647 °С.                            

Среднюю за период температуру дыма на выходе из насадки примем равной tкд =250°C. При начальной и конечной температурах энтальпия продуктов сгорания равны

iнд = 3950×0,16 + 3093×0,1175 + 2548×0,015 + 2407×0,7175 = 2760 кДж/м3;

iкд = 462,7×0,16 + 383,4×0,1175 + 337,4×0,015 + 336,5×0,7175 = 362,0 кДж/м3.

Согласно приложению энтальпия воздуха на входе в насадку при tнв =200°С равна iнв =262 кДж/м3.

Зададим для предварительных расчетов величину падения температуры воздуха в течение воздушного периода Dt”в =100°С. Тогда средняя температура дутья на выходе из насадки в течение периода будет равна iнв =0,5 [1300+ (1300+100)] = 1350 °С, при которой энтальпия воздуха будет равна iкв = 1800 кДж/м3.

Расход продуктов сгорания Vд находим из уравнения теплового баланса насадки

0,95× Vд (iнд - iкд)tд = Vв(iкв - iнв)tв,

где 0,95 - коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке.                                                       

Предварительно необходимо задаться временем между перекидками в дымовом периоде tд=6200 с (1,7 ч) и длительностью времени на перекидку tп =360 с (0,1 ч).

Находим длительность воздушного периода

tв =(tд + tп) / (n-1) = (6200 + 360)/(4-1) = 1800 с (0,5 ч),

где n – число воздухонагревателей.

Общая продолжительность цикла равна

tå = 6200 + 360 + 1800 = 9080 с (2,8 ч).

Теперь определяем

Vд = 95(1800-262)1800 /0,95(2760 - 362)6200 = 22,44 м3/с (80812 м3/ч)        

и расход смешанного коксодоменного газа на воздухонагреватель

VCM = Vд/Lд = 22,44 /2,56 = 8,76 м3/с (31556 м3/ч).

Расход воздуха на горение смешанного газа

Vгорв = VCM ×LB = 8,76 ×1,75 = 15,33 м3/с (55188 м3/ч).

Предварительное определение поверхности нагрева насадки

Тепло, затраченное на нагрев воздуха

QB = VB (iкв - iнв)tв = 95×(1800-262)×1800 = 368×106 кДж/цикл.

Среднелогарифмическая разность температур

Dt = [(1647 - 1350) - (250 -200)] /ln((1647 - 1350)/(250 -200)) = 138,6 °С.

Примем скорость дыма равной wд0=2,0 м/с. Скорость воздуха при нормальных условиях будет равна

wв0 = wд0Vв /Vд = 2,0 ×95/22,44 = 8.47 м/с.

Средние за период температуры дыма и воздуха

tд = (1647 + 250)/2 = 948.5°С; tB = (1350 + 200)/2 = 775°C.

Средние температуры верха и низа насадки в дымовом и воздушном периоде и за весь цикл

tдверх = (1647+948,5)/2 = 1298°С; tдниз = (948,5+ 250)/2 = 599°С;

tвверх = (1350+775)/2 = 1062,5°С; tдниз = (775+ 200)/2 = 487,5°С;

tверх = (1298 + 1062,5)/2=1180°С; tниз =(599+487,5)/2 = 543°С.

Находим коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.

Для определения коэффициента конвективной теплоотдачи воспользуемся графиком Nu = f(Re) (для насадки из блочного кирпича с вертикальными выступами и горизонтальными проходами).

Принимая, что воздуходувка подает воздух под давлением р=354,5 кПа, найдем действительную скорость воздуха по формуле

wв = wв0Тв /Т0 ×(р0/р)

где р0= 101,3 кПа и Т0 =273 К.

Действительная скорость дыма wд = wд0Тд /Т0, м/с.

Заимствуя значения коэффициентов теплопроводности lв и кинематических коэффициентов вязкости nв воздуха из приложения, необходимо учесть, что вязкость газов обратно пропорциональна давлению. Поэтому заимствованные из приложения значения вязкости необходимо разделить на 354,5/101,3=3,5.

Коэффициент теплоотдачи излучением находим по графику с учетом поправочного коэффициента. Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Теплофизические параметры кирпича насадки определяем по формулам, заимствованным из приложения

Динас                        Шамот

ср, кДж/(кг×К)          0,87+0,193t                0,865+0,2t

l, Вт/(м×К)             1,58+0,00038×t             1,04+0,00015×t

Для выбранного типа насадки

f1 = 38,1 м2/м3; f2 = 0,2925 м2/м2 и v = 0,7 м3/м3.

Таблица  1.

Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки

	Расчетная формула, источник	Beрх		низ
Параметр		дым	воздух	дым	воздух
Средние за период температуры дыма и   воздуха, °С
	см. текст	1298	1062,5	599	487,5
Коэффициент  теплопроводности l× 102, Вт/(м×К)	Приложения III и IV
		13,58	8,52	7,54	5,85
Кинематический  коэффициент вязкости n×106  м2/с	»	245,0	56,8	93,6	22,3
Определяющий диаметр     канала, d м	Табл.	0,031	0,031	0,031	0,031
Действительная скорость дыма и воздуха, м/с	См. текст	11,35	10,05	6,45	5,7
Критерий Рейнольдса	Re = wd/v	1440	5490	2130	7910
Критерий Нуссельта	Рис.	9,55	39,9	15,8	52,5
Коэффициент  теплоотдачи конвекцией aконв,  Вт/(м2×К)	Nu×l/d	41,4	109,0	37,8	97,5
Коэффициент  теплоотдачи    излучением aизл, Вт/(м2×К)	Рис. 54	18,0	-	5,0	-
Суммарный коэффициент   теплоотдачи, Вт/(м2-К)	aконв + aизл	59,4	109,0	42,8	97, 5

 

Эквивалентную полутолщину кирпича находим по формуле

Sa = v/f1 = 0,7/38,1 = 0,0184 м.

Найденные значения теплофизических параметров сводим в табл. 2.

Поскольку полученные значения коэффициента аккумуляции тепла hк > 1/3 вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать его толщину и можно принять x = 5,1 для низа насадки x=2,3 для верха.

Таблица 2.

Теплофизические параметры материала насадки

Параметр	Расчетная формула	Верх (динас)	Низ (шамот)
Средняя температура насадки, °С	См. текст	1180	543
Объемная плотность r, кг/м3   .....		2000	2025
Коэффициент теплопроводности, l Вт/(м×К)	»	1,935	1,123
Теплоемкость,   ср, кДж/(кг×К)	»	1,329	1,093
Коэффициент температуропроводности, а, м2/с	l/ср×r	7,279×10-7	5,07×10-4
Критерий Фурье Foå	а×tå/S2э	22,0	14,7
Коэффициент аккумуляции hк	Формула (126)	0,942	0,911

 

 

Теперь можно найти значения суммарных коэффициентов теплоотдачи от дыма к воздуху: для верха насадки

cверх = 1/(1000/59,4×7200 + 1/3×0,0184×1000/1,935×(1/7200 + 1/2520) + 1/0,0184×2000×1,329×2,3) + 1000/109×2520) = 60,04 кДж/(м2×К),

для низа насадки

cниз = 1/(1000/42,8×7200 + 1/3×0,0184×1000/1,123×(1/7200 + 1/2520) + 1/0,0184×2025×1,093×5,1) + 1000/97,5×2520) = 66,5 кДж/(м2×К),

Средний для всей насадки

c = 0,5 (cверх + cниз) = 0,5 (66,5 + 60,04) = 63,27 кДж/(м2×К).

Поверхность нагрева  находим  по формуле