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:
SiO>2>-72 %
Fe>2>O>3>+AL>2>O3-2,3 %
Na>2>O+К>2>О-14%
CaO+MgO-11,5%
SO>3>-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=358CH>4>+637C>2>H>6>+912C>3>H>8>+1186C>4>H>10>;
Qн=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м3
Уравнения реакций горения составных частей топлива:
CH>4>+2O>2>=CO>2>+2H>2>O+Q;
C>2>H>6>+3,5О>2>=2СО>2>+3Н>2>О+Q;
C>3>H>8>+5O>2>=3CO>2>+4H>2>O+Q;
C>4>H>10>+6,5O>2>=4CO>2>+5H>2>O+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 |
О>2Т>иО>2Д>-расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при L=1,1; N>2Д>- действительный объем азота из воздуха; V>L>-действительный расход воздуха для горения 1 м3 газа; V>Д>-объем продуктов горения на 1 м3 газа.
Объемный состав продуктов горения, %:
CO2=0,993*100/11,28=8,80
H3O=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:
Ф>1>=QнХ,
где Qн-теплота сгорания топлива,кДж/м3;
Х- секундный расход топлива, м3/с.
Ф>1>=35200Х кВт.
2. Поток физической теплоты, поступающий с воздухом, кВт:
Ф2=V>L>c>в>t>в>Х,
где V>L>-расход воздуха для горения 1 м2 топлива,м3;
t>в>- температура нагрева воздуха в регенераторе-горелке˚,С;
с>в>-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 Ф>2>=10,26*1150*1,455=17150Х кВт.
Потоками физической теплоты топлива, шихты и боя пренебрегаем ввиду их незначительности.
Общий тепловой поток будет равен:
Ф>прих.>=35200Х+17150Х=52350Х кВт.
Расходная часть
1.На процессы стеклообразования, кВт:
Ф>1>=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;
Ф>1>=2930*0,81=2373 кВт ,
2.Тепловой поток, теряемый с отходящими из печи дымовыми газами, кВт:
Ф>2>=V>Д>t>Д>C>Д>X,
Где V>Д >-объем дымовых газов на 1м3 топлива, м3;
TД-температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, ˚С; принимается равной температуре варки
1500˚ С;
C>Д> –удельная теплоемкость дымовых газов при их температуре, кДж/(м3*˚С).
Удельную теплоемкость продуктов горения подсчитывают как теплоемкость смеси газов:
с>Д>=c>СО>>2> r>CO2>+c>H3O> r>H3O>+c>N2> r>N2>+c>O2>r>O2>,
где r-объемная доля компонентов газовой смеси;
с-теплоемкость газов, кДж/(м3*˚С);
С>Д>1500=2,335*0,0880+1,853*0,172+1,444*0,722+ +1,529*0,0177=1,6 кДж/(м3*˚С).
Определяем тепловой поток:
Ф>2>=11,28*1500*1,6Х=27072Х кВт.
3. Тепловой поток, теряемый излучением, кВт:
Ф3= ( С>о>φF(Т1/100)4-(Т2/100)4)/1000.
Где С>о>- коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м2*К4);
φ- коэффициент диафрагмирования;
F- площадь поверхности излучения, м2;
Т>1>иТ>2>- 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 t>1>=1400˚C,а температуру окружающего воздуха t>2>=20˚С.
Тогда
(Т>1>/100)4=78340 (Т>2>/100)4=73,7
Находим тепловой поток
Ф>а>=(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 t>1>=1450˚С, а температуру внутренних стенок горелок t>2>=1350˚С. Тогда(Т>1>/100)4=44205 и (Т>2>/100)4=33215.
Определяем тепловой поток:
Ф>б>=5,7*0,8*1,5(44205-33215)/1000=75,2кВт.
Общий тепловой поток излучением
Ф>3>=Ф>а>+Ф>б>=121+75,2=196,2кВт.
4. Тепловой поток, теряемый на нагрев обратных потоков стекломассы, кВт:
Ф>4>=(п-1)gc>ст>(t>1>-t>2>),
где п- коэффициент потока, представляющий собой отношение количества стекломассы, поступающей в выработочную часть, к вырабатываемой; п= 3,5;
с>ст>-удельная теплоемкость стекломассы, кДж/(кг*˚С);
t1 и t2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы 1350 и 1250˚ С;
с>ст>=0,1605+0,00011t>ст>=0,3ккал/(кг*град)*4,19=1,26кДж/ /(кг*˚С);
Ф>4>=(3,5-1)0,81*1,26*100=255,15 кВт.
5.Тепловой поток, теряемый в окружающую среду через огнеупорную кладку, кВт:
Ф>5>=(tвн - tв/∑ δ/λ+1/α>2>)*F,
где t>вн>- температура внутренней поверхности кладки, ˚С
t>в>- температура окружающего воздуха,˚ С;
δ-толщина кладки, м;
λ-теплопроводность огнеупора данного участка, Вт/(м*˚С);
α>2>-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки окружающему воздуху, Вт/(м>2>*˚С).
Если принять
(tвн - tв/∑ δ/λ+1/α>2>=q,
то формула теплопередачи примет вид, кВт:
Ф>5>=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=δ>1>/λ>1>+δ>2>/λ>2> ,
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 F>1> и средний F>2 >ряды имеют одну и ту же площадь:
F>1>, F>2> =(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 F>3>
F>3>=(7,92+1)*0,4*2+6,9*0,4=9,89 м2.
Площадь стен пламенного пространства
F>п.п.>=2F>прод>.+F>торц>.-F>вл.>
Принимаем предварительно высоту стены пламенного пространства равной 1 м.
F>прод>.=8,2*1=8,2 м2.
Площадь F>торц>. Определяют по эскизу.
Определяем площади F>1>,F>2>,F>к>: при этом F>торц.>=F>1>+F>2>-2F>к.>
Где F>1>,F>2> и F>к> – площадь сегмента, прямоугольника и под арками загрузочных карманов.
Для определения площади сегмента применяем упрощенную формулу:
F>сегм. >=2/3bf,
где b-длина хорды;
f-стрела подъема свода, равная 1,02м.
Тогда
F>сегм.>= 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: