Проектирование прокалочной печи

СОДЕРЖАНИЕ ВЕДЕНИЕ 1. Выбор метода производства 2. Физико-химические основы процесса 3. Технологическая схема
4. Характеристика сырья и готовой продукции 4.1. Электродный кокс 4.2. Каменноугольный пек 4.3. Характеристика готовой продукции 5. Материальный баланс 6. Тепловой расчет печи 6.1. Расчет 6.2. Расчет … 7. Конструктивный расчет 7.1 Расчет диаметра печи 7.2 Расчет длины печи 8. Механический расчет 9. Охрана труда и техника безопасности производстве АМ Список литературы ВЕДЕНИЕ Значение анодной массы в алюминиевой промышленности трудно оценить. Алюминиевая промышленность – один из наиболее крупных потребителей анодной массы. Анодная масса используется в алюминиевых электролизерах с непрерывными самообжигающимися анодами. Такой анод состоит из металлического кожуха с анодной массой, которую по мере сгорания загружают в кожух. Под действием выделяющегося тепла в электролизерах анодная масса обжигается. Анод, состоящий из анодной массы, служит для подвода тока к электролиту в электролизерах. Анод работает в очень жестких эксплуатационных условиях и должен удовлетворять следующим требованиям: 1) выдерживать высокую температуру; 2) иметь хорошую электропроводность и достаточную механическую прочность; 3) обладать химической стойкостью против действия расплавленных фтористых солей и других веществ; 4) содержать минимальное количество примесей, ухудшающих качество получаемой продукции; 5) быть достаточно дешевыми. Современный цех анодной массы представляет собой комплекс транспортно-технологического оборудования, связанного в единую непрерывную цепь аппаратов. В зависимости от содержания золы и серы анодная масса выпускается высшего (АМ-О) и первого (АМ-1) сорта. Анодная масса не должна содержать посторонние твердые включения и должна иметь определенную текучесть, характеризуемую коэффициентом текучести – отношением среднего диаметра нижнего основания деформированного образца к первоначальному его диаметру. Анодная масса изготовляется из пекового и нефтяного коксов или их смесей, в качестве связующего применяется каменноугольный пек. Анодная масса отличается от масс других видов – подовой, электродной: содержит минимальное количество примесей металлов и повышенное количество связующего, поэтому может свободно перетекать в нагретом состоянии. Основные технологические операции производства анодной массы осуществляют в следующей последовательности: кокс подвергают предварительному дроблению и прокаливают при температуре 1200-1350° С для удаления влаги и летучих веществ, повышения его плотности, электропроводности и снижения реакционной способности. Прокаленный кокс дробят, размалывают и рассеивают на классы различной крупности, Далее кокс дозируют, подогревают, рассеивают и перемешивают со связующим. Полученную массу формируют в брикеты, охлаждают в воде и направляют на склад, где удаляется избыток влаги. Готовую анодную массу направляют в электролизные корпуса алюминиевых заводов. На Иркутском алюминиевом заводе применяют метод сухой анодной массы. Реализация сухой анодной массы в масштабах завода позволяет резко сократить выбросы смолистых, в том числе канцерогенно опасного вещества – бенз(а)пирена – по зарубежным данным, в 2-3 раза. Эти выбросы на заводе можно сократить на 70%, применяя метод сухой анодной массы. Что такое сухая анодная масса? Содержание связующего 25-28 процентов. Массовый переход на сухую анодную массу на ИркАЗе способствует дальнейшему повышению эффективности и экологичности основного производства. 1. Выбор метода производства В настоящее время во всех действующих цехах, в том числе в цехе анодной массы Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗа), анодная масса производится по непрерывному способу. Поэтому в курсовом проекте выбираем непрерывный метод производства анодной массы. Такой метод производства анодной массы имеет существенные преимущества. Его более удобно и автоматизировать, и механизировать. Кроме того, улучшается использование мощности привода, которая во время работы остается практически неизменной. Параметры смеси по мере продолжения от загрузочного устройства к разгрузочному существенно изменяются, однако в каждой точке по продольной оси аппарата (смесителя) находится смесь (анодная масса) с характерными свойствами. Время прохождения материала (пекового прокаленного кокса и пека каменноугольного) через аппарат (смеситель) непрерывного действия всего (2,5–5) мин. (по сравнению с 30-40 мин. В аппаратах периодического действия. Это в свою очередь приводит к необходимости интенсификации процесса смещения: увеличения скорости вращения рабочих органов, усиления механического воздействия на компоненты шихта. Поэтому большинство новых цехов анодной массы оборудуется аппаратами непрерывного действия. [1] 2. Физико-химические основы процесса Основным процессом, происходящим в непрерывном самообжигающемся аноде, является коксование связующего и образование сплошной коксовой структуры. Рассмотрим сущность процесса коксования анода. Загружаемая в анод анодная масса состоит из смеси коксовых зерен (66–72) % и каменноугольного пека (28-34) %. Каменноугольный пек состоит в основном из высококипящих органических соединений, относящихся по химическому составу к ароматическим углеводородам. Соединениями ароматического ряда называют вещества, в молекулах которых содержится особая группировка из шести атомов углерода, называемая бензольным кольцом или бензольным ядром. Сущность процесса коксования, т.е. последовательность превращений, состоит в том, что при замедленном росте температур от (140–150)°С происходит отгонка (испарение) легкокипящих составляющих пека и постепенное увеличение его плотности. Сложные ароматические углеводороды разлагаются с образованием летучих низкомолекулярных неароматических соединений (или так называемых соединений открытого ряда), водорода и остатка в виде сложных углеводородов, обогащенных ароматическими соединениями. Это очень важно, так как кокс образуется только из ароматических углеводородов. Под влиянием высоких температур без доступа воздуха и в присутствии естественных катализаторов (окислов металлов из зольных примесей) одна часть соединений открытого ряда изменяет структуру и ароматизируется; другая часть удаляется в виде газов коксования. При дальнейшем росте температур происходит объединение ароматических ядер с образованием сплошной циклической сетки, обедненной водородом и обогащенной углеродом. Число колец в таких системах достигает от нескольких единиц до десятков тысяч. При более высоких температурах отдельные плоские системы ароматических ядер наслаиваются или «сшиваются» в объемные кристаллиты типа графита, но с меньшей степенью упорядочения структуры. В целом этот комплекс процессов называется «термолиз пека» и «конденсация ароматики».
Дальнейшая конденсация ароматических структур приводит к образованию сплошной кристаллической решетки кокса. В самообжигающемся аноде алюминиевого электролизера основные физико-химические превращения можно разделить на несколько стадий, протекающих в основных зонах анода: жидкой фазе, зоне полукокса и зоне кокса.
Жидкая фаза выполняет роль подготовки связующего к коксованию. При малых уровнях жидкой анодной массы и высокой температуре ее поверхности значительная часть газов коксования проходит через верх анода, унося с собой большое количество легкокипящих смол. Это снижает выход кокса из анодной массы, увеличивает ее расход и ухудшает воздушную среду в цехах электролиза. Результаты исследования показывают, что наиболее значительное влияние уровня жидкой фазы наблюдается в пределах 30 см. Зона полукокса ограничена изотермой (400-460)°С (поверхностью конуса спекания) и изотермой 700°С. В этой зоне выделяется большое количество смол, которые содержат около 86-92% углерода и 4,5-6,5% водорода. Выделение смол наиболее интенсивно в интервале температур 400-500°С. Зона полукокса является наиболее ответственной за поддержание оптимальной скорости коксования анодной массы. Зона кокса (нижняя зона) ограничена изотермой 700°С и нижней поверхностью анода. При 800-850°С происходит практически полное удаление летучих веществ и заканчивается переход полукокса в кокс. В этой зоне происходят также важные процессы пиролиза газов коксования. [1] 3. Технологическая схема прокалочного отделения ЦАМ Рис. 1 – Технологическая схема прокалочного отделения ЦАМ На рис. 1 представлена технологическая схема производства анодной массы для самообжигающихся анодов с системой непрерывного дозирования исходного сырья и смешения анодной массы. Сырьем для производства анодной массы служат каменноугольный пек (связующий материал) и электродный кокс с низким содержанием зольных примесей (наполнитель). Исходный сырой кокс поступает на склад и по транспортной системе 2-4 подается на первичное дробление к валковой зубчатой дробилке 5. Через систему питания 6-8 кокс подается в прокалочный агрегат 9-10 и далее по системе транспорта прокаленный кокс поступает в бункер запаса 16. На участке молотковая дробилка 19-грохот 18 проводится I стадия дробления и рассева прокаленного кокса, а на участке валковая дробилка 20-грохот 18 – II стадия. Полученные сортовые фракции кокса поступают в бункера запаса 21. Часть материала (в основном фракция – 1 мм) через питатель 4 направляется в мельницу 27 для размола и получения пыли. После системы аэросепарации 28-32 пыль также направляется в соответствующий сортовой бункер. С помощью весовых автоматических дозаторов 22 проводится дозировка сортовых фракций (крупки и пыли), которые собираются конвейером 23 и направляются в порошковый подогреватель 24 и далее в смеситель 25. Так поступает на предприятие в жидком или твердом виде, проходит подготовку на складе пека 33-36 и насосом 37 закачивается в расходный бачок пека 38. Дозатором 22 и пековым насосом 37 пек также подается в смеситель 25. Через орошаемый водой конвейер 26 и систему транспорта охлажденные брикеты анодной массы поступают на склад готовой продукции. [2] 4. Характеристика сырья и готовой продукции Для производства анодной массы применяют в основном малозольные углеродистые материалы, а также (в незначительных количествах) отходы электродного и электролизного производств. Сырье для производства анодной массы должно удовлетворять следующим требованиям: Так как из анодной массы формуют аноды алюминиевых электролизеров, служащие для подвода тока к криолито-глиноземному расплаву, а аноды подвергаются воздействию высокой температуры, окислению отходящими анодными газами и кислородом воздуха, то исходные сырьевые материалы, предназначенные для изготовления анодной массы, должны обладать следующими свойствами: хорошо проводить электрический ток, иметь достаточную механическую прочность, быть инертными к химическому воздействию криолито-глиноземного расплава, не плавиться и не разрушаться при высоких температурах, содержать минимум вредных примесей. Сырьевые материалы для изготовления анодной массы подразделяются на две группы: твердые углеродистые материалы (коксы) и связующие (пеки). В качестве твердых материалов, которые являются наполнителем или как бы «скелетом» анода, применяют преимущественно пековые и нефтяные коксы. Основным связующим материалом, соединяющим при коксовании все частицы этого «скелета» в монолитную массу, служит каменноугольный пек. 4.1 Электродный кокс В качестве твердого наполнителя в анодной массе используются пековые и нефтяные электродные коксы. Пековый кокс является продуктом коксования каменноугольного пека при температуре от 500 до 1100° С. Исходным сырьем служит так называемый высокотемпературный пек с температурой размягчения 120-150°С. Процесс коксования ведут в специальных печах или камерах, при этом выход годного кокса из пека составляет до 65%. Для изготовления анодной массы применяют: кокс пековый электродный, ГОСТ 3213-71 (табл. 1); кокс пековый прокаленный, ГОСТ 5.2158-74. Нефтяные коксы являются продуктом коксования тяжелых остатков от перегонки нефти. При перегонке нефти путем нагревания вначале выделяются самые легкие фракции – газы, бензины, затем керосины, масла и т.д. Оставшаяся часть (так называемые тяжелые остатки) представляют собой гудроны и смолисто-асфальтеновые вещества. Тяжелые остатки имеют повышенную плотность, высокую температуру кипения, небольшое содержание минеральных примесей и приближаются по своим свойствам к пекам. [2] Таблица 1. Свойства пекового электродного кокса (по ГОСТ 3213-71) №№ п/п Показатели КПЭ-С с государст- венным знаком качества КПЭ-1 КПЭ-2 КПЭ-2 1 Зольность (Рc), %, не более 0,25 0,30 0,30 0,50 2 Содержание серы (Sсобщ.), % 0,25 0,30 0,70 0,70 3 Содержание влаги (Wр), не более 3,0 3,0 3,0 0,30 4 Выход летучих веществ (Vг), %, не более 8,0 8,0 0,8 0,8 5 Размер кусков, мм >10 >10 >10 >10 6 Содержание кусков размером (10-25) мм, %, не более 7,0 8,0 8,0 8,0 7 Содержание мелочи 2,0 2,0 2,0 2,0 8 Удельное электрическое сопротивление, мкОм·м, не более 550 600 600 600 В зависимости от способа переработки нефти (пиролиза или крекинга) различают нефтяные пиролизные и крекинговые электродные коксы. Крекинговые коксы после прокалки становятся более плотными, чем пиролизные, но содержат больше минеральных примесей и способны легче окисляться.
Для производства анодной массы используют преимущественно кокс марки К3-8, т.е. кокс с установок замедленного коксования. Согласно ГОСТу 22898-78 этот кокс должен удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 2. Таблица 2. Свойства нефтяных малосернистых коксов (по ГОСТ 22898-78) №№ п/п Показатели К3-8 с государственным зна-ком качества К3-8 1 Массовая доля общей влаги, %, не более 3 3 2 Выход летучих веществ, %, не более 7 9 3 Зольность, %, не более 0,4 0,6 4 Массовая доля серы, %, не более 1,0 1,5 5 Массовая доля мелочи (куски размером 8 10 6 Действительная плотность после прокаливания при 1300° С в течение 5 ч., г/см³ Массовая доля, %, не более: кремния железа ванадия 2,10–2,13 0,06 0,07 0,008 2,08–2,13 0,08 0,08 0,015 Влага и летучие вещества являются балластной частью и при прокалке практически полностью теряются. Высокое содержание их в сыром материале приводит к удорожанию транспортных расходов. Механическая прочность пековых коксов намного выше, чем нефтяных, и заметно возрастает как у первых, так и у вторых с ростом температуры прокалки. Механическая прочность электродов из нефтяных коксов на (20–30) % ниже, чем из пековых, что следует расценивать как отрицательное свойство. Плотность коксов – один из наиболее важных параметров. Различают истинную (dист.) и кажущуюся (dкаж.) плотность коксов. Первая определяется без учета пор в коксе, а вторая – с учетом пор. 4.2 Каменноугольный пек. Пек каменноугольный является продуктом коксового производства. При коксовании специальных сортов угля (коксующихся) в коксовых батареях получают: кокс, смолу коксования и газы коксования. Кокс из коксующихся углей содержит много минеральных примесей и не годится для электродного производства. В смоле коксования содержание примесей невелико, и она служит сырьем для производства каменноугольного пека. Смолу нагревают до 300-350°С, обрабатывают воздухом и из нее удаляют легкокипящие фракции. Оставшаяся масса называется пеком. Характерные свойства каменноугольных пеков таковы: 1) интенсивно черный цвет (из-за значительной доли «свободного углерода»; 2) высокое удельное электросопротивление (10''–10'³ мкОм.м при 20°С); 3) ничтожная гигроскопичность и малая смачиваемость водой; 4) сравнительно небольшой интервал температур перехода из твердого состояния в жидкотекучее; 5) хрупкость под давлением быстро возникающих усилий и относительная прочность под медленным их воздействием (сочетание свойств хрупкого и вязкого тела); 6) при температурах, близких к переходу из твердого состояния в жидкотекучее, печи обладают высокой эластичностью. Из-за сложной структуры и огромного числа соединений, входящих в состав пека, химический состав пека еще слабо изучен. Пек подразделяют на группы-фракции, отличающиеся друг от друга молекулярной массой, следовательно, и свойствами. Фракции условно обозначают ℒ, β и γ. Высокомолекулярные соединения, которые входят в остаток, нерастворимый в толуоле, называют ℒ-фракцией. Это продукты уплотнения ароматических соединений и минеральные примеси в пеке. Фракция β (или асфальтены) растворима в бензоле и толуоле, но не растворяется в петролейном эфире. Эта фракция повышает связующую часть пека, обладает хорошей способностью к спеканию. Фракция γ (или мальтены) содержит наиболее низкомолекулярные компоненты пека (масла, смолы), растворяется в петролейном эфире, бензине, бензоле. Эти фракции придают пеку текучесть, снижают температуру размягчения и способствуют смачиванию коксовой шихты пеком. В таблице 3 приведены свойства образца среднетемпературного каменноугольного пека с температурой размягчения 69°С. [2] Таблица 3. Свойства каменноугольного пека с температурой размягчения 69° С №№ п/п Показатели Величина 1 Содержание летучих, % 56 2 Зольность, % 0,15 3 Пикнометрическая плотность, г/см³ 1,314 4 Элементарный состав, %: С Н N О S 91,77 4,75 1, 25 0,78 1,28 5 Групповой состав, %: ℒ1 ℒ2 β γ 8,0 27,3 32,9 39,8 6 Выход кокса из ℒ–фракции, % 93,1 В связи с большим числом характеризующих электродный пек параметров и сложностью его химического состава целесообразно окончательно оценивать пек по его технологическим параметрам: поведению при производстве анодной массы и при формировании анодов для алюминиевых электролизеров. Ниже приводятся требования к электродным пекам согласно ГОСТ 10200-73 (табл. 4). Таблица 4. Свойства электродного каменноугольного пека марок А, Б, В (по ГОСТ 10200-73) №№ п/п Показатели А Б В 1 Температура размягчения, °С 65-70 67-73 85-90 2 Содержание веществ, нерастворимых в хинолине (ℒ1–фракция), %, не более 6 8 12 3 Содержание веществ, нерастворимых в толуоле (ℒ–фракция), % 24-28 25-31 ≥31 4 Выход летучих веществ, % 59-63 58-62 53-57 5 Плотность, г/см³, не более Ненорм. 1,30 1,32 6 Отгон до 360° С, %, не более 10 Ненорм. Ненорм. 7 Зольность, %, не более 0,3 0,3 0,3 8 Содержание воды, %, не более: жидкий пек твердый пек 0,5 4,0 0,5 4,0 0,5 4,0 4.3 Характеристика готовой продукции Готовая продукция процесса – анодная масса. Она используется в алюминиевых электролизерах с непрерывными самообжигающимися анодами. Такой анод состоит из металлического кожуха с анодной массой, которую по мере сгорания загружают в кожух. Под действием выделяющегося в электролизере тепла анодная масса обжигается.
В зависимости от содержания золы и серы (%, не более) анодная масса выпускается высшего (АМ-О) и первого (АМ-1) сорта (табл. 5) Таблица 5. Свойства анодной массы №№ п/п Показатели Сорт анодной массы АМО АМ1 1 Содержание золы, %, не более 0,5 10 2 Содержание серы, %, не более 0,9 1,4 Анодная масса не должна содержать посторонних твердых включений и должна иметь определенную текучесть, характеризуемую коэффициентом текучести – отношением среднего диаметра нижнего основания деформированного образца к первоначальному его диаметру. Определяют коэффициент текучести по деформации поперечного сечения образца цилиндрической формы после его нагрева до 170°С в течение 20 мин. Величина коэффициента текучести должна быть в пределах 1,7-27. Кроме браковочных показателей, установлены следующие контрольные показатели анодной массы (табл. 6). [2] Таблица 6. Контрольные показатели анодной массы №№ п/п Показатели Величина 1 Содержание влаги, %, не более 0,9 2 Удельное электросопротивление, ом.мм²/м, не более 75 3 Сопротивление раздавливанию, кг/см², не более 300 4 Пористость, %, не более 30 5. Материальный баланс Основное назначение материального баланса производства анодной массы – установление расходных коэффициентов по сырью для определения потребности производства в нем, выявление количества побочных продуктов, отходов и потерь. Количество и состав отходов и побочных продуктов необходимо знать для того, чтобы выяснить возможность их утилизации во избежание загрязнения окружающей среды. 5.1 Расчет часовой производительности цеха Следовательно, часовая производительность будет равна кг/ч (5.1) 5.2 Часовая производительность главного корпуса кг/ч (5.2) 5.3 Материальный баланс смесильно – дозировочного отделения Таблица 5.1 Приход % масс. на сырье кг/ч Расход % масс. на сырье кг/ч Кокс Пек 74,5 25,5 11920 4080 Анодная масса 100 16000 5.4 Материальный баланс отделения дробления, размола Таблица 5.2 Приход % масс. на сырье кг/ч Расход % масс. на сырье кг/ч Кокс (прокаленный) 100 12040,4 Кокс (прокаленный) Потери 99 1 11920 120,4 5.5 Материальный баланс прокалочного отделения Таблица 5.3 Приход % масс. на сырье кг/ч Расход % масс. на сырье кг/ч Кокс (непрокал-й) 100 12674,1 Кокс (прокаленный) Потери 95 5 12040,4 633,7 5.6 Материальный баланс отделения подготовки связующего Таблица 5.4 Приход % масс. на сырье кг/ч Расход % масс. на сырье кг/ч Пек 100 4080 Пек Потери 99,5 0,5 4059,6 20,4 6. Тепловой расчет печи 6.1 Расчет Qприхода , кДж/ч (6.1) где – тепло, получаемое в результате сгорания мазута, кДж/ч; – тепло, вносимое подогретым воздухом, кДж/ч; – тепло, вносимое подогретым топливом (мазутом), кДж/ч; – тепло экзотермической реакции, кДж/ч. 6.1.1 рассчитывается по следующей формуле , кДж/ч (6.2)
где – расход топлива (мазута). Принимаем кг/ч; – теплота сгорания мазута. Для мазута содержащего:
86,5% Ср; 0,3% Sр; 10,5% Нр; 1,8% Wр; 0,3% Nр; 0,3% Ор; 0,3% Ар. Величину теплоты сгорания мазута определяем по формуле Д.И. Менделеева [3]: Qрн = [81 Ср + 300 Нр – 26 (Ор – Sр) – 6 (Wр + 9 Нр)] · (Wр + 9 Нр)] · 4, 187 ,Дж/кг (6.3) Итак, Qрн = [81 · 86,5 + 300 · 10,5 – 26 (0,3 – 0,3) – 6 (1,8 + 9 · 10,5)] · 4,187 = 40106 Дж/кг Таким образом, Qх = 100 · 40106 = 4010600 кДж/ч = 4,01 ГДж/ч Qх = 4,01 ГДж/ч 6.1.2 Находим тепло вносимое подогретым воздухом, определяется по формуле [4]; QВ = ß · СВ · ТВ · n · VВ , кДж/ч (6.4) где ТВ- температура подогрева воздуха. Она определяется по формуле: ТВ = ТВ кон. – ТВ ном, К (6.5) Итак, ТВ = 443 – 293 = 150 °К (источник информации: прокалочное отделение цеха анодной массы ИркАЗа). СВ - средняя теплоемкость воздуха в интервале температур от 273 К до ТВ [4]; СВ = 1,3 кДж/(м³.к); n = 1,1 - коэффициент избытка воздуха [3]; VВ = 20 м³/кг → количество воздуха, теоретически необходимого для сжигания единицы топлива. [1]; Итак, QВ = 100 · 1,3 · 150 · 1,1 · 10 = 214500 кДж/ч = 0,21 ГДж/ч 6.1.3 Тепло, вносимое подогретым топливом, определяется по формуле [4]: QТ = В · CТ · ТТ , кДж/ч (6.6) где СТ – 2,09 кДж/кг · К – средняя теплоемкость топлива (мазута) в интервале температур от 273 К до ТТ ([6]; стр. 34) ТТ = 353 · К – температура подогрева топлива [4]; Итак, QТ = 100 · 2,09 · 353 = 73777 кДж/ч = 0,074 ГДж/ч. 6.1.4 Тепло экзотермических реакций. В этой статье при составлении теплового баланса учитывают все химические реакции, идущие с положительным тепловым эффектом, кроме реакций горения топлива. В прокалочных печах учитывают тепло, выделяющееся при окислении прокаленного кокса. При окислении 1 кг прокаленного кокса выделяется 17165 кДж/кг [7]; Итак, Qэкз = 17165 · Р · а кДж/ч (6.7) где Р = 10,0 т/ч - производительность печи; а = 0,08 кг/кг - угар углерода кокса. Потери от угара составляют обычно (8–13)% [1]. Принимаем 8%, т.е.: а = 0,08. Итак, Qэкз = 17165 · 104 · 0,08 = 1373 · 104 кДж/ч = 12,73 ГДж/ч Общий приход тепла: Qприх. = Qх + QВ + QТ + Qэкз Следовательно, Qприх. = 4,01 + 0,21 + 0,074 + 12,73 = 17,024 ГДж/ч 6.2 Расчет Qрасхода Qрасх. = Q1 пол. + Q2 + Qз + Q4 + Q5 кл. + Q6 (6.8) где Q1 пол. – полезное тепло, необходимое для нагрева кокса, кДж/ч; Q2 – тепло уносимое отходящими газами, кДж/ч; Qз – тепло от хим. Неполноты реакции, кДж/ч; Q4 – тепло от мех. неполноты сгорания мазута, кДж/ч; Q5 кл. – потери тепла через свод, стены и под печи, кДж/ч; Q6 – неучтенные потери, кДж/ч. 6.2.1 Полезное тепло, необходимое для нагревания нефтяного кокса. Нефтяной кокс поступает в прокалочную печь холодным: Q1 пол = G · См · Тк.к , кДж/ч (6.9) где G = 12674,1 кг/ч - количество нефтяного кокса; Тк.к = 1450 °К - конечная температура пекового кокса; См = 0,343 кДж/кг К - средняя теплоемкость пекового кокса в интервале температур от 273° К (0° С) до 1450° К; [4] Итак, Q1 пол. = 10,02 · 10² · 0,343 · 1723 = 5914 · 10³ кДж/ч = 5,914 Гдж/ч 6.2.2 Тепло, уносимое отходящими газами, определяется по формуле ([4]; стр. 224): Q2 = · Vух · Сух · Тух , кДж/ч (6.10) где = 100 кг/час - расход топлива; Vух = 35 м³/к - полное количество газов, образующихся при сжигании единицы массы. [1]; Сух = 2,86 кДж/(кг·К) - средняя теплоемкость уходящих из печи газов; Тух = 550 К - температура уходящих из печи дымовых газов. Значит, Q2 = 100 · 35 · 2,86 · 673 = 5505500 кДж/ч = 5,5055 ГДж/ч 6.2.3 Тепло от химической неполноты сгорания топлива (мазута) определяется по формуле: Q3 = · Vух · а · 12142 , кДж/ч (6.11) где а = 0,02 - доля несгоревшего СО [4]; Можно принять, что на 1% СО содержится 0,5% Н2, тогда теплота сгорания такой смеси составит 12142 кДж/м³. Итак, Q3 = 100 · 35 · 0,02 · 12142 = 849940 кДж/ч = 0,85 ГДж/ч 6.2.4 Тепло от механической неполноты сгорания определяется по формуле [4]; Q4 = 0,01 · · Qр н , кДж/ч (6.12) Итак, Q4 = 0,01 · 100 · 40106 = 40106 кДж/ч = 0,04 ГДж/ч. 6.2.5 Потери тепла через свод, стены и под печи определяют по формуле [4]: Ткл – Тв Q5 кл. = ( Sı ) + ( S2 ) + ( 1 ) · F кДж/ч (6.13) Х1 Х2 ℒ где Ткл. = 1580 К - температура внутренней поверхности кладки (ориентировочная средняя температура кладки) [4]; Тв = 300 К - температура окружающего воздуха; Sı = 0,25 м - толщина огнеупорной кладки [4]; S2 = 0,03 м - толщина теплоизоляции [4]; Х1= 1,593 Вт/м.к - коэффициент теплопроводности кладки [3]; Х2 = 0,254 Вт/м.к - коэффициент теплопроводности изоляции [3]; ℒ = 19,8 Вт/м² · к - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху [4]; F = 438 м² - площадь поверхности кладки. Итак, _1580 – 300 _ Q5кл. = 0,25 + 0,03 + 1 · 438 = 2,9 ГДж/ч 1593 0,254 198 6.2.6 Неучтенные потери определяются по формуле [4] Q6 = (Qı пол. + Q2 + Qз + Qч + Q5кл.) (6.14) Итак, Q6 = 0,097 (6,303 + 5,5055 + 0,85 + 0,04 + 2,9) = 1,426 ГДж/ч Итак, общий расход тепла: Qрасх. = Q1 пол. + Q2 + Qз + Q4 + Q5 кл. + Q6 (6.15) Qрасх. = 6,303 + 5,5055 + 0,85 + 0,04 + 2,9 + 1,426 = 17,024 ГДж/ч 7. Конструктивный расчет прокалочной печи 7.1 Расчет диаметра печи Диаметр барабана печи (D, м) определяют из условия оптимальной скорости движения газового потока в печи по формуле: , м (7.1) где D - диаметр барабана прокалочной печи м; Vt - действительное количество газов, м³/с; Wt - действительная скорость движения газов в печи; м/с. Значение Wt для большинства барабанных печей лежит в пределах (3–8) м/с. При принятом сравнительно невысоком пылеуносе 20% скорость газов в печи должна быть умеренной. Принимаем равной 5 м/с, т.е.: Wt = 5 м/с Определяют действительное количество газов, Vt м³/с. Производительность печи 10 т/ч. Время прокаливания (переработки) 100 кг нефтяного кокса: ч. Количество отходящих газов на 100 кг прокаленного нефтяного кокса с учетом горения мазута равно: 1202,86 м³. Секундное количество отходящих газов: м³/с;
По данным заводской программы (ИркАЗ) температура отходящих из печи газов составляет 400° С. На основании этого, находят среднюю температуру газов в печи: °С При этой температуре средний объем газов в печи:
Vt = 9 (1 + ß · tср.) = 9 (1 + 0,00366013 · 875) = 37, 82 м³/с Диаметр печи определяется по формуле: м. При толщине футеровки: высокоглиноземистый кирпич 250 мм; слой теплоизоляции 30 мм, наружный диаметр печи будет (при кожухе 20 мм): Dнар. = 3 + 0,25 · 2 + 0,03 · 2 + 0,02 · 2 = 3,60 м 7.2 Расчет длины печи Длину печи рассчитываем по времени пребывания материала (кокса) в зоне, в течение которого будут завершены все физические и химические процессы. , м (7.2) где - линейная скорость движения кокса в зоне, м/ч; - минимальное необходимое время пребывания кокса в зоне, ч. м/ч; [1] . [1] Принимаем ч. Следовательно, диаметр печи будет равен м. 8. Механический расчет печи 8.1 Расчет толщины стенки корпуса печи Толщину стенки печи определяем по формуле Ляме [9]: (8.1) где Dв = 3 м - внутренний диаметр корпуса печи; а = 2,3 - коэффициент для остальных корпусов; [p] - допустимое напряжение на растяжение, Мпа; - коэффициент прочности стенки. Этот коэффициент от вида сварки и наличие отверстия в стенке корпуса, определяете по формуле: (8.2) где = 0,8 - двусторонний сварочный шов = 0 - без отверстий в стенке. Итак, С - коэффициент, учитывающий минусовой допуск металла корпуса и его утонение вследствие коррозии. Для неагрессивных условий при температуре Ɵ>500 °С этот коэффициент равен: мм Допустимое напряжение [p] зависит от температуры и марки стали и определяется по формуле: [ p] = д.н · ɳ · ℐ (8.3) где д.н - допустимое нормальное напряжение. При 260 д.н = в · 0,33 (8.4) Для стали ВМСт 3: в = 49 кгс/мм² = 49 · 10³ т/м² Следовательно, д.н = 49 · 10³ · 0,33 = 16 · 10³ = 150 Мпа ɳ - поправочный коэффициент, зависит от вида конструкции. Для сварочных конструкций принимают ɳ = 1 ℐ - поправочный коэффициент, зависит от вида изготовления и особых условий. Для сварных корпусов принимают ℐ = 0,8 Значит, [ p] = 160 · 1 · 0,8 = 128 МПа Рвн. - давление внутри печи, определяется по формуле: (8.5) где G = 1182 т - масса печи с материалом (пековым коксом) F - площадь внутренней поверхности печи, м2. Итак, м2 Отсюда следует, что м =18мм 9. Охрана труда и техника безопасности в производстве анодной массы Производство анодной массы сопровождается выделением значительного количества коксовой и пековой пыли, летучих веществ и паров пека, тепловым излучением и выделением газов в процессе термической обработки, повышением уровня шума в производственных помещениях. Опасным фактором также является использование грузоподъемных механизмов. Требования безопасности в производстве анодной массы должны соответствовать ГОСТ 12.1.007-76, санитарным правилам при транспортировке и работе с пеком, утвержденным Министерством здравоохранения и соответствующими разделами ГОСТ на углеродное сырье (гост 22898-78, ГОСТ 22898-78 и т.д.). Эксплуатация оборудования, расположенного в цехе анодной массы должна осуществляться в соответствии с «общими правилами безопасности для предприятий и организаций металлургической промышленности», «правилами безопасности при производстве глинозема, алюминия, магния, кристаллического кремния и электролитического силумина, ПБ 11-149-97, глава 2 п. 2.4 (Производство анодной массы и обожженных анодов), Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 № 116-93, «Положением о производственном контроле на опасных производственных объектах». Производственный персонал ЦАМ должен быть вовлечен в систему обучения и периодической проверки знаний правил и инструкций по технике безопасности, эксплуатации, ремонту и чистке оборудования. Уменьшение запыленности и загазованности обеспечивается за счет устойчивой работы вентиляционных и аспирационных установок при достаточно хорошей герметизации оборудования и приспособлений. В качестве индивидуальных средств защиты органов дыхания обслуживающего персонала ЦАМ от пыли предусматривается применение респираторов типа «лепесток» (ГОСТ 12.4.028-76). Для защиты органов слуха от шума применяются противошумные наушники (ГОСТ 12.4.051-87). Во избежание ожогов открытых частей тела и глаз при работе с жидким каменноугольным пеком необходимо применять очки (ГОСТ 12.4.013-85), открытые места необходимо смазывать специальной мазью. Вращающиеся части машин и механизмов должны быть укрыты надежными ограждениями, приспособлениями для смазки подшипников выведены в безопасное место. В связи с тем, что коксовая пыль является проводником электрического тока, в цехе анодной массы разрешается пользоваться переносными лампами напряжением не более 12 В. Ревизию электрооборудования необходимо проводить своевременно, с высоким качеством работы. В производственных помещениях и на рабочих местах предельно-допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ не должна превышать следующих величин: - коксовой пыли – 6 мг/м3 - паров пека – 0,2 мг/м3 - оксид углерода – 20 мг/м3 - оксид азота (в пересчете на NO2) – 5 мг/м3 - сернистый ангидрид – 10 мг/м3 - 3,4 бенз(а)пирена – 15 мг/м3 Таблица 9.1 - Токсикологическая характеристика углеродного сырья № п/п Наименование материала Предельно-допустимая концентрация (ПДК) мг/м3 Пределы взрываемости Действие на организм 1. Кокс пековый 6мг/м3 Пыль с размерами частиц 50-160мкм не взрывоопасна; нижний предел взрываемости отсутствует до 500г/м3 4 класс опасности группа Б. При длительном вдыхании в значительных количествах пыли возможны пневмокониозы 2. Пек каменноугольный аэрозолей и паров 0,2мг/м3 Горючее взрывоопасное вещество. Температура вспышки – не ниже 210С0; воспламенение – не ниже 250С0; самовоспламения – не ниже 5700С; область воспламенения паров 125-1450С 2 класс опасности. Вызывает раздражение слизистых оболочек и кожные заболевания, увеличивает чувствительность кожи к солнечному свету. В значительных количествах может вызвать, общее отравление и ожег дыхательных путей, открытых частей кожи и слизистых оболочек органов зрения. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Янко Э.А., Воробьев Д.Н. Производство анодной массы. – Москва, «Металлургия», 1984. – 240 с. 2. Янко Э.А. Аноды алюминиевых электролизеров. – Москва, Издательский дом «Руда и металлы», 2001. – 364 с. 3. Ененко Г.М., Степанов Е.М и др. Промышленные печи. – Москва, Издательство «Машиностроение», 1964. – 420 с.
4. Кривандин В.А., Филимонов Ю.П. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. – Москва, «Металлургия», 1978. – 387 с. 5. Под ред. Кривандина В.А. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т. 1. Теоретические основы. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1986, – 424 с. 6. Кривандин В.А., Неведомская И.Н. Конструкция и работа печей. – М.: Металлургия, 1986. – 560 с. 7. Чалых Е.Ф. Прокалочные печи электродной промышленности. – М.: Цветметинформаяи, 1963. – 329 с. 8. Кохан Л.С., Навроцкий А.Г. Механическое оборудование цехов по производству цветных металлов. – Москва, «Металлургия», 1985. – 789 с . 9. Под ред. Кривандина В.А. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т. 1. Теоретические основы. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1986, – 424 с.