Стекловаренная печь

1.Назначение печи.



В данном курсовом проекте будет рассмотрена ванная печь непрерывного действия. Тип печи-регенеративная ,проточная с подковообразным  направлением пламени. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком. 

Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя герметизированными загрузочными карманами ,расположенными по ее боковым сторонам.

Варочный бассейн печи отапливается природным газом. Для отопления варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части. 

Удаление дымовых газов из варочного бассейна стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, отсечным, поворотным шиберами и металлической дымовой трубой при помощи основного и резервного дымососов ДН-9У.

Для использования тепла отходящих дымовых газов, печь оборудована регенераторами с насадкой типа «Лихте» с ячейками 170х170.

Тепло отходящих газов используется также в котле-утилизаторе.

Производительность печи-70 тонн в сутки.Вырабатываемый ассортимент-бутылка из темнозеленого стекла.

 























































2.Обоснование производительности.





Тип печи-регенеративная, проточная с подковообразным направлением пламени. Производительность печи-70 тонн в сутки. Форма и размеры выработочного бассейна приняты конструктивно из условия размещения одной машинолинии АЛ-118-2 (восьми секционная, двух-капельная). Автомат обслуживается одной бригадой из трех человек в смену(два машиниста и один наладчик стеклоформующей машины). Всего смены три. Вырабатываемый ассортимент- бутылка из темнозеленого стекла. Масса бутылки- 340 грамм. Количество резов составляет-80(в минуту). Коэффициент использования стекломассы (КИС)-0,95.

Данная стекловаренная печь предусматривает эффективную тепловую изоляцию стен и дна бассейна, стен пламенного пространства, горелок, сводов варочного, выработочного бассейнов, горелок и регенераторов, что заметно увеличит производительность стеклотары на данном участке производства.

















3.Выбор удельного съема и расчет основных геометрических размеров печи.



Химический состав стекла:

SiO2-72 %

Fe2O3+AL2O3-2,3 %

Na2O+К2О-14%

CaO+MgO-11,5%

SO3-0,2%



Максимальная температура варки-1500˚C

В температурном интервале от 23 до 1500˚С вязкость стекол изменяется на 18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 1019 Па с, в расплавленном состоянии-10 Па с. Температурный ход вязкости показан на рисунке. При низких температурах вязкость меняется незначительно. Наиболее резкое снижение вязкости происходит в интервале 1015-107 Пас. 



Кривая температурного хода вязкости.























Определяем основные размеры рабочей камеры.

Площадь варочной части печи, м2:

F=G* 103/g;

Где G-производительность печи, кг/сутки;

       g-удельный съем стекломассы с зеркала варочной                

          части, кг/(м2*сут).

Принимаем g=1381 кг/(м2*сут.).

Тогда F=70000/1381=50,68 м2.

Длина варочной части для печи с подковообразным направлением пламени рассчитывается из соотношения

L:B=1,2:1

L:B=1,2

L*B=50,68

1,2*х*х=50,68

х2=50,68:1,2

х=6,5м (ширина B)

6,5*1,2=7,8 м (длинаL)



Соотношение длины и ширины L/B=7,8/6,5=1,2

Ширина пламенного пространства на 120 мм больше ширины бассейна, т.е. 6,5+0,12=6,62 м

Высота подъема свода f=6,62/8=0,83 м.

Длина пламенного пространства 7,8+0,2=8 м.

Глубина бассейна: студочного    мм , варочного     мм.

Площадь студочной части при температуре варки 1500С принята равной площади варочной части:Fст= 50,68м2.

Ширина студочной части составляет 80% ширины варочной части: 6,5*0,8=5,2 м. Принимаем ширину загрузочных карманов (6,5-0,9)/2=2,8 м, где 0,9 м – ширина разделительной стенки. Длина загрузочного кармана 1 м.

    





4.Обоснование распределения температур в печи.



Термический процесс, в результате которого смесь разнородных компонентов образует однородный расплав, называется стекловарением. 

Сыпучую или гранулированную шихту нагревают в ванной печи, в результате чего она превращается в жидкую стекломассу, претерпевая сложные физико-химические взаимодействия компонентов, происходящие на протяжении значительного температурного интервала. 

Различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).

Отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной последовательности по длине печи и требуют создания необходимого температурного режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени. Распределение температур по длине и ширине ванной печи зависит от свойств стекла и условий варки. При варке темнозеленого стекла  температура в начале зоны варки (у загрузочного кармана) 1400-1420˚С, так как в этой части бассейна печи происходят нагрев, расплавление и провар шихты, т. е. завершение стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление стекломассы. Температура стекломассы у загрузочного кармана 1200-1250˚С. В зоне осветления температура газовой среды поддерживается максимальной-1500˚С, так как при такой температуре вязкость стекломассы снижается, происходит интенсивное осветление и завершается гомогенизация. В зоне студки температура газовой среды плавно понижается до 1240˚С, что приводит к увеличению вязкости стекломассы. В зоне выработки температурный режим устанавливается в зависимости от требований, необходимых для нормальной выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.

Для установления стационарного температурного режима газовой среды в печи необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подаваемого в печь, тщательно их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы.

Возможность установления определенного температурного режима предусматривается конструкцией ванной печи. 

На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей камере печи. Повышение давления до определенных пределов способствует более равномерному прогреву отдельных частей печи, так как объем рабочей камеры максимально заполняется пламенем. Создание разряжения в печи приводит к уменьшению распространения пламени и присосу холодного воздуха через отверстия. Это ухудшает равномерность распределения температур и вызывает понижение температур в тех участках печи, куда проникает холодный воздух. 

Температурный режим печи зависит также и от температуры факела пламени и ее распределения по длине факела. Температура факела регулируется подачей воздуха.    





5.Расчет горения топлива, действительной температуры факела и минимальной температуры подогрева воздуха.





Теплоту сгорания топлива определяют по его составу:

Qн=358CH4+637C2H6+912C3H8+1186C4H10;

Qн=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м3



Уравнения реакций горения составных частей топлива:

CH4+2O2=CO2+2H2O+Q;

C2H6+3,5О2=2СО2+3Н2О+Q;

C3H8+5O2=3CO2+4H2O+Q;

C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O+Q.

Коэффициент избытка воздуха L=1,1.

Расчет горения сводим в таблицу:



Состав топлива, %

Содержание газа, м3/м3

Расход воздуха на 1м3 топлива, м3

Выход продуктов горения на 1 м3 топлива,м3 





О2Т

О2Д

N2Д

VL

CO2

H2O

N2

O2

VД

CH4-93,2

0,932

1,864





1,96х1,1





2,16х

х3,76





2,16+

+8,10

0,932

1,864

-

-

2,796

С2Р6-0,7

0,007

0,025







0,014

0,021

Из воздуха

Из воздуха

0,035

С3H8-0,6

0,006

0,030







0,018

0,024

8,1

0,2

8,142

C4H10-0,6

0,006

0,039







0,024

0,030

-

-

0,054

N2-4,4

0,044

-

-

-

-

-

-

0,044

-

0,044

СО2-0,5

0,005

-

-

-

-

0,005

-

-

-

0,205

Сумма-100

1

1,96

2,16

8,1

10,26

0,993

1,939

8,144

0,2

11,276



О2ТиО2Д-расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при L=1,1; N2Д- действительный объем азота из воздуха; VL-действительный расход воздуха для горения 1 м3 газа; VД-объем продуктов горения на 1 м3 газа.



Объемный состав продуктов горения, %:



CO2=0,993*100/11,28=8,80

H2O=1,939*100/11,28=17,20

N2=8,144*100/11,28=72,23

O2=0,2*100/11,28=1,77

_________________________

Сумма-100





Определим расход топлива:

Составим тепловой баланс варочной части печи.

Приходная часть

1.Тепловой поток ,поступающий при сгорании топлива, кВт:

Ф1=QнХ,

где Qн-теплота сгорания топлива,кДж/м3;

      Х- секундный расход топлива, м3/с.

Ф1=35200Х кВт.

2. Поток физической теплоты, поступающий с воздухом, кВт:

Ф2=VLcвtвХ,

где VL-расход воздуха для горения 1 м2 топлива,м3;

tв- температура нагрева воздуха в регенераторе-горелке˚,С;

св-удельная теплоемкость воздуха при температуре нагрева(данные взяты из приложения), кДж/(м3˚С).

Принимаем температуру подогрева воздуха в регенераторе1100˚С и повышение температуры в горелкена 50˚С. Тогда Ф2=10,26*1150*1,455=17150Х кВт.

Потоками физической теплоты топлива, шихты и боя пренебрегаем ввиду их незначительности.

Общий тепловой поток будет равен:

Фприх.=35200Х+17150Х=52350Х кВт.



Расходная часть

1.На процессы стеклообразования, кВт:

Ф1=ng,

где п- теоретический расход теплоты на варку 1 кг стекломассы, кДж/кг; 

g- съем стекломассы, кг/с.

Так как состав стекла и шихты в расчете не учитываются, то по данным Крегера, можно принять расход теплоты на получение 1 кг стекломассы и продуктов дегазации равным 2930 кДж/кг:

g=70*1000/24*3600=0,81 кг/с;

Ф1=2930*0,81=2373 кВт ,



2.Тепловой поток, теряемый с отходящими из печи дымовыми газами, кВт:  

Ф2=VДtДCДX,

Где VД -объем дымовых газов на 1м3 топлива, м3;

TД-температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, ˚С; принимается равной температуре варки    

1500˚ С;

CД –удельная  теплоемкость дымовых газов при их температуре, кДж/(м3*˚С).

   Удельную теплоемкость продуктов горения подсчитывают как теплоемкость смеси газов:



сД=cСО2 rCO2+cH2O rH2O+cN2 rN2+cO2rO2,



где r-объемная доля компонентов газовой смеси;

     с-теплоемкость газов, кДж/(м3*˚С);

СД1500=2,335*0,0880+1,853*0,172+1,444*0,722+ +1,529*0,0177=1,6 кДж/(м3*˚С).

Определяем тепловой поток:

Ф2=11,28*1500*1,6Х=27072Х кВт.

 

3. Тепловой поток, теряемый излучением, кВт:    





  Ф3= ( СоφF(Т1/100)4-(Т2/100)4)/1000.

Где Со- коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м2*К4);

     φ- коэффициент диафрагмирования;

      F- площадь поверхности излучения, м2;

     Т1иТ2- абсолютная температура соответственно                                                           излучающей среды и среды, воспринимающей излучение, К



а ) Излучение через загрузочный карман. Для расчета коэффициента диафрагмирования φ принимаем отверстие за прямоугольную щель высотой Н=0,2м, шириной равной ширине загрузочного кармана –1,7 м, толщиной арки δ=0,5 м.

Тогда

Н/δ=0,2/0,5;  φ=0,4.

Рассчитаем площадь излучения:

F=1,7*0,2*2=0,68 м2 (так как загрузочных карманов два).

Принимаем температуру в зоне засыпки шихты t1=1400˚C,а температуру окружающего воздуха t2=20˚С.

Тогда

                     (Т1/100)4=78340        (Т2/100)4=73,7

Находим тепловой поток 

Фа=(5,7*0,4*0,68(78340-73,7))/1000=121кВт.



б) Излучение во влеты горелок. Принимаем суммарную площадь влетов равной 3% площади варочной части:

F=50,68*0,03=1,5 м2.

Высоту влетов предварительно принимаем равной 0,4м; форма отверстия – вытянутый прямоугольник, размеры которого Н=0,4; δ=0,5:

Н/δ=0,8(φ).

Принимаем среднюю температуру в пламенном пространстве варочной части t1=1450˚С, а температуру внутренних стенок горелок t2=1350˚С. Тогда(Т1/100)4=44205 и (Т2/100)4=33215.

Определяем тепловой поток:

Фб=5,7*0,8*1,5(44205-33215)/1000=75,2кВт.

Общий тепловой поток излучением 

Ф3=Фа+Фб=121+75,2=196,2кВт.



4. Тепловой поток, теряемый на нагрев обратных потоков стекломассы, кВт:

Ф4=(п-1)gcст(t1-t2),

где      п- коэффициент потока, представляющий собой отношение количества стекломассы, поступающей в выработочную часть, к вырабатываемой; п= 3,5;

сст-удельная теплоемкость стекломассы, кДж/(кг*˚С);

t1 и t2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы 1350 и 1250˚ С;

сст=0,1605+0,00011tст=0,3ккал/(кг*град)*4,19=1,26кДж/ /(кг*˚С);

Ф4=(3,5-1)0,81*1,26*100=255,15 кВт.

  

5.Тепловой поток, теряемый в окружающую среду через огнеупорную кладку, кВт:

Ф5=(tвн - tв/∑ δ/λ+1/α2)*F,

где   tвн- температура внутренней поверхности кладки, ˚С

        tв- температура окружающего воздуха,˚ С;

       δ-толщина кладки, м;

       λ-теплопроводность огнеупора данного участка,    Вт/(м*˚С);     

α2-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки окружающему воздуху, Вт/(м2*˚С).

Если принять

                         (tвн - tв/∑ δ/λ+1/α2=q,

то формула теплопередачи примет вид, кВт:

                                 Ф5=qF.

Плотность теплового потока выбираем по таблице, в зависимости от температуры внутренней поверхности кладки и термического сопротивления ее    r=Σδ/λ;        при двуххслойной стенке

                       r=δ1/λ1+δ2/λ2 ,

   Рассчитываем площади поверхностей, ограждающих печь. Принимаем средние размеры варочной части:

по длине бассейна

7,8+0,12=7,92м;

по ширине бассейна

6,5+0,4=6,9м,



по длине пламенного пространства

8+0,4/2=8,2м;

по ширине пламенного пространства

6,62+0,4=7,02м,

где 0,4м – торцовой и боковых стен пламенного пространства.

Площадь дна

                                    Fдна=Fв.ч.+ Fз.к. ,

К площади варочной части добавляют площадь дна загрузочного кармана, т.е.



                                    Fв.ч.=7,92*6,9=54,6м2 ;

                                    Fз.к.=6,9*1,6=11,04м2;

                                   Fдна=54,6+11,04=65,64м2.

Площадь стен бассейна. Верхний F1 и средний F2 ряды имеют одну и ту же площадь:

F1, F2 =(7,92+1,6)*0,6*2+6,9*0,6=11,42+4,14=15,56 м2.



Складываем площади двух продольных и поперечной стены с учетом площади продольных стен загрузочного кармана.

Нижний ряд F3

                      F3=(7,92+1)*0,4*2+6,9*0,4=9,89 м2.

Площадь стен пламенного пространства

                 Fп.п.=2Fпрод.+Fторц.-Fвл.

Принимаем предварительно высоту стены пламенного пространства равной 1 м.

                    Fпрод.=8,2*1=8,2 м2.

Площадь Fторц. Определяют по эскизу.



Определяем площади F1,F2,Fк: при этом  Fторц.=F1+F2-2Fк.

Где F1,F2 и Fк – площадь сегмента, прямоугольника и под арками загрузочных карманов.



























Для определения площади сегмента применяем упрощенную формулу:



Fсегм. =2/3bf,



где b-длина хорды;

      f-стрела подъема свода, равная 1,02м.

Тогда

               Fсегм.=   F1=2/3*7,02*1,2 =5,76м2;





















                                                                     

6.Обоснование выбора печестроительных материалов.



Выбор огнеупоров для кладки стекловаренных печей определяется их химическим составом и свойствами, а также химическим составом стекломассы и зависит от конструкции и режима эксплуатации печей.

Для кладки основных элементов стекловаренной печи использованы следующие огнеупорные материалы: