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 днабассейна,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 %

Fe2
O3
+AL
2
O
3
-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 10
19
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 10
15
-10
7
Пас.

Кривая температурного хода вязкости.

Определяем основные размеры рабочей камеры.

Площадь варочной части печи, м
2
:

F=G* 10
3

/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 (длина
L
)

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:
F
ст= 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:

Q
н
=358CH4
+637C2
H6
+912C3
H8
+1186C4
H10
;

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

Уравнения реакций горения составных частей топлива:

CH4
+2O2
=CO2
+2H2
O+Q;

C
2
H
6
+3,5О2
=2СО2
+3Н2
О+
Q
;

C3
H8
+5O2
=3CO2
+4H2
O+Q;

C4
H10
+6,5O2
=4CO2
+5H2
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
		О 2Т	О 2Д	N 2 Д	V L	CO 2	H 2 O	N 2	O 2	V Д
CH 4 -93,2	0,932	1,8 6 4	1,96х1,1	2,16х х3,76	2,16+ +8,10	0,932	1,864	-	-	2,796
С 2 Р 6 -0,7	0,007	0,025				0,014	0,021	Из воздуха	Из воздуха	0,035
С 3 H 8 -0,6	0,006	0,030				0,018	0,024	8,1	0,2	8,142
C 4 H 10 -0,6	0,006	0,039				0,024	0,030	-	-	0,054
N 2 -4,4	0,044	-	-	-	-	-	-	0,044	-	0,044
СО 2 -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

О2Т
иО2Д
-расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при
L
=1,1;
N
2Д
- действительный объем азота из воздуха;
VL
-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

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

N
2=8,144*100/11,28=72,23

O
2=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
=
Q
нХ,

где
Q
н-теплота сгорания топлива,кДж/м3
;

Х- секундный расход топлива, м3
/с.

Ф1
=35200Х кВт.

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

Ф2=
VL
c
в
t
в
Х,

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

t
в
- 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
=
V
Д
t
Д
C
Д
X
,

Где
V
Д
-объем дымовых газов на 1м3
топлива, м3
;

T
Д-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:

сД
=c
СО
2
rCO2
+cH2O
rH2O
+cN2
rN2
+cO2
rO2
,

где
r
-объемная доля компонентов газовой смеси;

с-теплоемкость газов, кДж/(м3*˚С);

СД
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:

Ф2
=11,28*1500*1,6Х=27072Х кВт.

3. Тепловой поток, теряемый излучением, кВт:

Ф3= ( Со
φ
F
(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
;

Т1
иТ2
- 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

(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
t
1
=1450˚С, а температуру внутренних стенок горелок
t
2
=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)
gc
ст
(
t
1
-
t
2
),

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);

t
1 и
t
2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы 1350 и 1250˚ С;

сст
=0,1605+0,00011
t
ст
=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
=(
t
вн -
t
в/∑ δ/λ+1/α2
)*
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);

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

Если принять

(
t
вн -
t
в/∑ 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
/
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.

1)
Площадь дна

F
дна=
F
в.ч.+
F
з.к. ,

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

F
в.ч.=7,92*6,9=54,6м2
;

F
з.к.=6,9*1,6=11,04м2
;

F
дна=54,6+11,04=65,64м2
.

2)
Площадь стен бассейна. Верхний
F
1
и средний
F
2
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
м
2
.

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
.

3)
Площадь стен пламенного пространства

F
п.п.
=2
F
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
-2
F
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.
=2/3
bf
,

где
b
-длина хорды;

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

Тогда

F
сегм.
=
F
1=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: