Расчет воздухонагревателя доменной печи

Расчет горения топлива



Состав природного и доменного газов, %.

Газ

CO

СО2

СН4

С2Н4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

H2

N2

О2

W

г/м3

Природный

-

0.5

87.6

1.3

2.9

0.8

0.5

-

5.7

0.7

-

Доменный

27.6

9.8

0.7

-

-

-

-

3.5

58.1

0.3

45



1. Пересчитываем состав сухого газа на влажный. Объем влаги в 100м3 доменного газа: 

Н2О=(W*100)/(803.6+W)=(45*100)/(803.6+45)=5.3%



2. Коэффициент пересчета на влажный газ:

kд=(100-5.3)/100=0.947



3. Состав влажного доменного газа:

СОвл= kд*СО=0.947*27.6=26.14%

СО2вл= kд*СО2=0.947*9.8=9.28%

СН4вл= kд*СН4=0.947*0.7=0.66%

Н2вл= kд*Н2=0.947*3.5=3.31%

N2вл= kд*N2=0.947*58.1=55.02%

О2вл= kд*О2=0.947*0.3=0.28%



4. Состав влажных газов в %:

Газ

СО2

СО

Н2

N2

СН4

О2

Н2О

Доменный

9.28

26.14

3.31

55.02

0.66

0.28

3.6



5. Вычислим теплоту сгорания газов:



а) для природного газа:

=0.127CO+0.108H2+0.358CH4+0.586C2H4+0.636C2H6+

+0.913C3H8+1.185C4H10=0.358*87.6+0.586*1.3+0.636*2.9+

+0.913*0.8+1.185*0.5=35.28 [мДж/м3]



б)для доменного газа:

=0.127CO+0.108H2+0.357CH4=0.127*26.14+0.108*3.31++0.358*0.66=3.91 [мДж/м3].



6. Определим состав смеси. Доля доменного газа в смеси:

1-X – природный газ 

X – доменный газ

х=(-)/(-)=(35.28-8)/(35.28-3.91)=

=0.869 [мДж/м3].



7. Доля природного газа:

1-х=1-0.869=0.131



8. Состав смешанного газа:

СОсм=СОд*х+СОп(1-х)=26.14*0.869=22.7%

СО2см=СО2д*х+СО2п(1-х)=9.28*0.869+0.5*0.131=8.13%

СН4см=СН4д*х+СН4п(1-х)=0.66*0.869+87.6*0.131=12.05%

С2Н4см=С2Н4д*х+С2Н4п(1-х)=1.3*0.131=0.17%

С2Н6см=С2Н6д*х+С2Н6п(1-х)=2.9*0.131=0.38%

С3Н8см=С3Н8д*х+С3Н8п(1-х)=0.8*0.131=0.1%

С4Н10см=С4Н10д*х+С4Н10п(1-х)=0.5*0.131=0.06%

Н2см=Н2д*х+Н2п(1-х)=3.31*0.869=2.87%

N2см=N2д*х+N2п(1-х)=55.02*0.869+5.7*0.131=48.56%

О2см=О2д*х+О2п(1-х)=0.28*0.869+0.7*0.131=0.33%

H2Oсм=Н2Од*х+Н2Оп(1-х)=5.3*0.869=4.6%

Состав смешанного газа в %:

Газ

CO

СО2

СН4

С2Н4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

H2

N2

О2

W

г/м3

ПДС

22,7

8,13

12,05

0,17

0,38

0,1

0,06

2,87

48,56

0,33

4,6



9. Расход кислорода на горение:

=0,01*((22,7+2,87)*0,5+2*12,05+3*0,17+3,5*0,38+5*0,1+

+6,5*0,06-0,33)=0,393 [м3/м3].



10. Теоретически необходимое количество воздуха: 

L0=(1+3,762)*0,393=1,87 [м3/м3].



11. Действительное количество воздуха при n=1.1:

Lд=n*L0=1.1*1,87=2.06 [м3/м3].



12. Количество продуктов горения: 

a) Vсо2=(СО+СО2+СН4+2С2Н4+2С2Н6+3С3Н8+4С4Н10)*0.01=

(22,7+8,13+12,05+2*0,17+2*0,38+3*0,1+4*0,06)*

*0.01=0.4452 [м3/м3]

б) Vн2о=(2СН4+2С2Н4+Н2+Н2О+3С2Н6+4С3Н8+5С4Н10)0.01=

=(2,87+2*12,05+2*0,17+3*0,38+4*0,1+5*0,06+4,6)*

*0.01=0.3375 [м3/м3]

в) VN2=0,01N2+nkVо2=0,01*48,56+1,1*3,762*0,393=

=2.1119 [м3/м3]

г) V°о2=(n-1)*Vо2=(1.1-1)*0,393=0.0393 [м3/м3]



13. Общее количество продуктов горения:

Vпс=Vсо2+Vн2о+VN2+Vо2=0.4452+0.3375+2.1119+0.0393=

=2.9339 [м3/м3]



14.Состав продуктов горения: 

СО2=(Vсо2*100%)/Vпс=(0.4452*100%)/2,9339=15.17%

Н2О=(Vн2о*100%)/ Vпс=(0.3375*100%)/2,9339=11,5%

N2=(VN2*100%)/Vпс=(2.1119*100%)/2,9339=71,98%

О2=(Vо2*100%)/Vпс=(0.0393*100%)/2,9339=1.35%



Состав продуктов горения в %:

СО2

Н2О

N2

О2

Сумма

15,17%

11,5%

71,98%

1,35%

100%



15. Теплота сгорания природно-доменной смеси (по заданию): 8[мДж/м3].



Определение количества продуктов сгорания, поступающих в насадку, и его параметров



16. Определяем энтальпию продуктов сгорания;

приймем tв=20°C, iв=26.1 [кдж/м3]



 ==2745.07 [кДж/м3]. 



Определяем калориметрическую температуру продуктов сгорания. В первом приближении калориметрическую температуру продуктов сгорания принимаем равной t’кал= 1600°С.





i1600==

= 2630,89 [кДж/м3]

Так как i0>i1600 , принимаем более высокую температуру 1700°С.

Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре 

i1700=2813,52[кДж/м3]

Поскольку i0 i1700 , то истинную температуру определяем по формуле:



tкал= t’кал+



tкал=1600+=1662,5°С



18. Действительная температура продуктов сгорания: 

tд=tкал=0.95*1662,5=1579,4°С

tдн=0.97*1579.4=1532°С 

tд=1500°С



19. Определяем энтальпию продуктов сгорания:

а) на входе в насадку (при tд=1500°С): iдн=(3545,34*15.17+2758.39*11,5+2170,55*71,98+

+2296,78*1.35)/100= 2448,41 [кДж/м3].



б) на выходе из насадки (низ). Принимаем среднюю за период температуру уходящих из насадки газов tдк=250°С:

iдк=(470,2*15.17+384.46*11,5+327*71,98+339.56*1.35)/

/100=355,5 [кДж/м3]



20. Определяем средний за воздушный период расход воздуха. Принимаем, что пути от верха насадки до печи температура дутья понижается на 20°С. 

tвмин=tвк+20=1200+20=1220°С.

Эта температура соответствует концу периода нагрева дутья. Для предварительных расчетов принимаем, что в течение воздушного периода температура воздуха понижается на величину tв=200°С. Тогда средняя температура воздуха на выходе из насадки в течение воздушного периода составит:

tвкср=tвмин+ tв/2=1220+200/2=1320°С.

Этой температуре соответствует энтальпия:

iвк=1908,18 [кДж/м3].

Согласно заданию на проектирование объем дутья 

Vв=195000 [м3/час]. Это максимальное количество воздуха, которое пройдет через воздухонагреватель к концу воздушного дутья периода. Средний расход дутья за воздушный период определим из соотношения:



 



20. Определяем требуемый расход топлива. Требуемый расход топлива Vг определим из уравнения теплового баланса насадки за цикл её нагрева и охлаждения. 



VгVпс(0.95iдн-ідк)д=Vвср(івк-івн)в ,

отсюда

:



где 0.95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке;

івн – энтальпия воздуха на входе в насадку. Температура воздуха на входе в насадку tвн=170°С (после воздуходувки), что соответствует её энтальпии івн=222,65[кДж/м3];

д и в – длительность дымового и воздушного периода, час. 

Предварительно принимаем д=2.0 час, а время, затрачиваемое на перекидку клапанов п =0.1 час. При числе воздухонагревателей п=4 длительность воздушного периода будет равна:





Продолжительность цикла:

=д+в=2.0+0.7=2.7 [час].



Расход ПДС:





Расход доменного газа: 

Vпс=Vсм*0.869=18415*0,869=16003 [м3/ч]



Расход природного газа:

Vкг= Vсм*0.131=18415*0.131=2412 [м3/ч]



21. Количество воздуха необходимое для горения топлива:

Vв=LдVг=2.06*18415=37935 [м3/ч]



22. Количество продуктов сгорания поступающих в насадку:

Vпс=VдVг=2,93*18415=53956 [м3/ч]

Предварительное определение поверхности

нагрева насадки



23. Определяем количество тепла, затраченное на нагрев воздуха:

Qв=Vвср(івк-івн)в=180227(1908,18-222,65)0.7=

=2,1264*108 [кДж/цикл]



24. Средне логарифмическая разность температур °C:





25. Средние за период температуры дыма и воздуха:





26. Средние температуры верха и низа насадки:

а) дымовой период:



б) воздушный период: 



27. Определение коэффициента теплоотдачи для верха и низа насадки. Для определения теплоотдачи конвекцией кд и кв воспользуемся формулой:

Nu=ARen

Значение коэффициентов А и п : 0.0346 и 0.8 соответственно.

Результаты вычислений приведены в таблице.



28. Примем скорость продуктов сгорания при нормальных условиях Wод=2 м/с. Тогда скорость воздуха при нормальных условиях будет:

 



29. Действительную скорость продуктов сгорания определяем по формуле: 

а) для верха насадки





б) для низа насадки





30. Так как воздуходувка подает воздух под давлением Р=354.5 [кПа], то действительную скорость воздуха для верха и низа насадки найдем по формуле:

 ,



где Р0=101.3 кПа, Т0=273К

а) для верха насадки



б) для низа насадки 





31. Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.

Параметры и единицы измерения

Расчет форму

ла

Предварительный расчет

Уточненный расчет





Верх

Низ

Верх

Низ





Дым

Возд

Дым

Возд

Возд

Возд

Средние за период темпе- ратуры дыма и воздуха



1187,5

1032,5

562,5

457,5

-

-

Коэф. Теплопровод ности *102 вт/мС



12,47

8,32

6,95

5,09

-

-

Кинематический коэф вязкости *106 м2/с



218,7

182,85

87,75

72,63

-

-

Определяющий диаметр канала , м



0,031

0,031

0,031

0,031

-

-

Действительная скорость продуктов сгорания и воздуха м/с



10,7

9,13

6,12

5,11

-

-

Критерий Рейнольдса



1516,69

1547,88

2162,05

2181,05

-

-

Критерий Нуссельта



12,13

12,33

16,1

16,22

-

-

Коэф теплоотдачи конвекций к, вт/м2С



49,48

33,09

36,09

26,63

-

-

Коэф теплоотдачи излучением л, вт/м2С



8,2

-

4

-

-

-

Суммарный коэф теплоотдачи, вт/м2С

к+ л

56,68

33,09

40,09

26,63

-

-



Теплофизические параметры материала насадки



32. Средние температуры верха (динас) и низа (шамот) насадки:

 

33. Теплофизические параметры материала насадки – теплоемкость Ср, коэффициент теплопроводности  в зависимости от средней температуры определяем по формулам:

Динас: 

 

Шамот: 





34. Эквивалентная полутолщина кирпича:

V, f1 , f2 – живое сечение насадки.



V=0.7 [м3/м3] , f1=38.1 [м2/м3] , f2=0.2925 [м2/м3]

(из методического пособия №127)





35. Коэффициент аккумуляции тепла кладкой определяем по формуле:





вследствие преобразований получаем: 

а) динас 



б) шамот





Теплофизические параметры материала насадки и коэффициент аккумуляции тепла для верха и низа регенеративной насадки.



Параметры и еденицы измерения

Расчет

ная формула

Предварительный расчет

Уточненный расчет





Верх

Низ

Верх

Низ





Динас

Шамот

Динас

Шамот

Средняя температура насадки,

С

1110

510

-

-

Объемная плотность, , 

кг/м3

2000

2025

-

-

Коэф теплопроводности ,

вт/мС

2

1.11

-

-

Теплоемкость Ср , 

кДж/кгС

1.29

1.08

-

-

Коэф температуропро водност. 

 а м2/ч

0.00279

0.00182

-

-

Критерий Фурье



22.15

14.45

-

-

Коэф аккумуляции



0.943

0.915

-

-



Так как полученные значения коэффициента аккумуляции тепла к<1/3, то вся масса кирпича принимает участие в процессе аккумуляции тепла. В этом случае нет необходимости уменьшать толщину кирпича и величину коэффициентов, учитывающих различие в температурах кирпича в дымовом и воздушном периодах можно принять н=5.1 для низа насадки и в=2.3 для верха. - принимаем равным 1/3.



36. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи:





Тогда суммарный коэффициент теплопередачи для верха насадки: 





для низа насадки:





37.	Средний коэффициент теплоотдачи для всей насадки:





38.	Поверхность нагрева насадки:





39. Объем насадки:

V=F/f1= 44441/38.1=1166 м2 



40.	Площадь поперечного сечения насадки в свету:

 



41. Общая площадь горизонтального сечения насадки:





42. Высота насадки:





Определение изменения температуры воздуха

за воздушный период



43. Теплоемкость потока воздуха:





44. Теплоемкость насадки:





45. Теплоемкость потока дыма:







тогда:

 





46. Определяем значение условий постоянной времени воздушного периода, т.е. время, в течение которого температура воздуха на выходе из насадки изменяясь с постоянной скоростью, достигла бы значения t´´=200°С:

 





47. Определяем изменение температуры на выходе из насадки в течение воздушного периода:



Поскольку полученное значение t´´ мало отличается от принятого при предварительном расчете (t´´=200°С), повторять расчет нет необходимости:

Кверх

Книз

Кср

F

м2

V

м3



м2

Fобщ

м2

Н

м

39,6

38,17

38,9

44441

1166

7,49

25,62

45

Wв

кВт/°С

Сн

кДж/°С

Wд

кВт/°С





mв

Тв

час



°С

73

1.95*106

25,5

1

9,5

0,9

4,38

199



Невязка:



(Для повторного расчета разница менее 1%).



Размеры и масса насадки



Принимаем геометрические параметры насадки, полученные в повторном расчете : Н=45м, Fобщ=25,62м2.



48. Масса кирпича в насадке:





49. Коэффициент стройности насадки:



что удовлетворяет условию равномерного распределения газа по сечению насадки.



50. Принимая скорость продуктов сгорания в шахте горения равной Wдо=2.5 м/с, определяем площадь горизонтального сечения шахты:





51. Суммарная площадь горизонтального сечения воздухонагревателя: 

F=Fш+Fобщ=6+26,62=32,62 [м2]



52. Диаметр воздухонагревателя по внутренней поверхности кладки: 





53. оптимальное время между перекидками клапанов:





54. Оптимальная длительность воздушного периода: