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热工课程设计讲义
热工课程设计讲义
硅酸盐工业窑炉热平衡
一、硅酸盐工业窑炉热平衡的目的意义
硅酸盐工业窑炉是硅酸盐工厂的“心脏”,产品产量的高低、质量的好坏主要取决于这一设备的正常与否。
同时,窑炉在生产过程中需要消耗大量的热量,硅酸盐工厂能耗的高低也取决于窑炉及其与之密切配合的整个热工、工艺系统运行的正常与否。
因此,对窑炉开展热平衡测量工作是企业实行科学管理的重要环节。
通过对窑炉系统的热平衡测量可达到下列目的:
(1)热工过程的工艺技术指标、操作参数和窑炉的热效率进行全面的检查和衡量,准确掌握窑炉内热能分布、热能利用和热工状况,并找出窑炉系统的薄弱环节,为改进热工、工艺过程,确定最佳操作方案,调节操作参数提供科学依据,使产品的技术经济指标提高到一个新的水平。
(2)评价采用新工艺、新技术的实际效果,为新工艺、新技术实际应用后的改进和新型窑炉系统的设计提供依据。
(3)根据综合分析测定结果,比较同类窑型的技术经济指标,了解存在的差距,制定改进措施,也为生产过程自动化监测控制提供依据。
(4)为全面、系统掌握窑炉及其配套设备的生产、使用状况而建立的技术档案提供可靠技术资料,也对工厂的改造、发展等提供必要的参考数据等。
因此,对窑炉进行热平衡测量,是企业一项必不可少的工作。
作为从事硅酸盐材料生产和管理的工程技术人员,应当熟悉并掌握热平衡测量技术。
二、硅酸盐工业窑炉热平衡测量的要求
硅酸盐工业窑炉热平衡测量要求,应按国家标准进行,在国家标准允许范围内根据各工厂的实际情况选用测量仪器、测量方法和计算方法。
根据各工厂生产工艺特点和具体情况,一般在下列情况下可确定对窑炉的相关热工环节进行综合或单项热平衡测定:
(1)新窑投产后技术经济指标达不到设计要求;
(2)窑炉系统采用新技术、新工艺、新设备及新材料前后;
(3)窑炉长期工作不正常,热工制度不稳定;
(4)窑炉长期工作正常,高产、优质、低消耗成效突出。
三、硅酸盐窑炉热平衡测量的主要内容
根据不同窑型和烧成工艺特点,在确定的热平衡范围内对下列热工参数或其它必须确定的工艺参数进行测定和计算。
1、有关流体参数的测定
(1)窑外环境大气参数
主要包括:
大气压力;环境风速、风向;空气湿度、温度等。
(2)窑系统内气体参数
主要包括:
入窑(包括各处漏入)空气量及其湿度、温度;窑内(包括窑炉系统相关设备)废气流速、废气量、废气温度、压力、湿含量、废气成分和废气中含尘量等;排出窑系统外的废气量、废气温度、湿含量、废气成分和废气中含尘量等。
(3)窑系统用水参数
窑炉冷却用水量、水温、水分蒸发量,以及相关设备冷却循环用水量等。
2、有关物料和燃料参数的测量
(1)入窑物料:
物料量、水分、温度、成分和细度及相关物理性能等。
(2)窑内物料:
窑内各部位物料的温度、成分等。
(3)出窑物料:
出窑物料量、物料温度、化学成分;回收物料量、化学成分和飞灰量等。
(4)入窑燃料:
入窑燃料的化学成分(工业分析)、温度、水分、发热量、质量(流量)及煤灰化学成分等。
3、其它参数的测定
主要包括:
窑系统设备的表面积、表面温度;必要时还需测定窑内燃料燃烧形成的火焰温度和测定周期内窑炉生产系统的电能消耗等。
4、计算及分析
完成参数测定后,还需根据所测参数进行以下内容的计算工作:
窑系统物料平衡和热平衡计算,窑系统综合能耗、窑的热效率计算;冷却设备的热平衡与热效率计算等。
然后汇总所有测量资料、生产技术资料等,进行窑系统的热工综合分析,在一定范围内对窑系统的生产情况、热工状态,给出确切的评价,并针对存在的问题提出技术改进措施和建议。
四、硅酸盐工业窑炉热平衡测量的步骤
硅酸盐工业窑炉的种类很多,在热平衡测量中,测定项目和测点位置对不同的窑是不一样的。
但是热平衡测量方案的制订过程、测量仪表、测量方法和计算方法是类似的。
1、选择热平衡的对象
根据节能工作的要求和企业具体情况,选择热平衡的对象,首先应选节能潜力大,能耗多的设备作为热平衡对象。
2、明确热平衡体系
热平衡体系即热平衡所要研究的范围,可用热平衡图来表示,并逐项标出收入、支出、损耗和重复利用的能量,不发生漏计、重计和错计。
3、进行热平衡测试
根据热平衡的目的,制定测试方案,选择测点、安装仪表,进行预测和测试,注意测试的工况一定要具有代表性,测试要在稳定工况下进行,并且持续一定的时间,如水泥窑的热平衡测量一般要求持续时间不少于6~8小时。
4、数据整理
对各测点所测得的数据进行单项计算,并进行物料平衡和热平衡计算,编制物料平衡、热平衡表。
一般能量平衡计算时的基准和规定为:
(1)基准温度:
原则上以环境温度(如外界空气温度)为基准;
(2)燃料发热量:
原则上以燃料收到基低位发热量为基准;
(3)燃烧用空气:
原则上采用空气组成按体积百分数,O2占21%,N2占79%;按质量百分数O2占23.2%,N2占76.8%。
(4)标准燃料:
为了便于对各种燃料消耗量进行统一计算和比较,将各种燃料按规定数值进行折算,1kg标准煤低位发热量为29270kj/kg,1kg标准油或1m3标准气的低位发热量为41820kj/kg。
(5)热平衡表:
热平衡内容和结果按项列入热平衡表1。
表1热平衡表
序号
收入热量
支出热量
项目
数值
(kj/kg)
占收入热量百分数(%)
项目
数值
(kj/kg)
占支出热量百分数(%)
合计
合计
5、计算各项技术经济指标
其中包括:
产量、热耗、煤耗、料耗、窑的单位面积和单位容积产量等。
6、综合分标
根据热平衡计算结果,对各项技术经济指标进行对比分析,研究能量损失的原因,找出提高产量、降低消耗的措施和技术改造方案。
五、热平衡测量的组织
硅酸盐工业窑炉热平衡测量是一项比较复杂、细致且科学性较强的工作,需要很多人协同工作。
因此,为了保证热平衡测量能够顺利地进行,并取得较准确的数据,得出的科学的结论,必须有组织、有计划、有准备地进行。
1、热工测量的计划
全面的热工测量计划书,应包括如下内容:
(1)测量的目的
(2)测量设备的情况调查
它包括设备规格和性能,平时运转情况和主要技术参数的大致范围。
(3)热平衡系统的选定和需要计算的技术经济指标等。
热平衡系统的选定,首先要符合测定的目的,所要测定的设备应包括在所选的系统之内,其次应使选定系统界面处的各测定项目易于测得和测准,并且使与测定目的无关的而不易于测准的项目尽量划在系统之外,根据需要和便于测定及计算,也可将所测定的范围划分为几个系统进行测定。
(4)测定的项目、取样点选定和各测定项目的具体测定方法。
热平衡系统确定了以后,根据工艺流程、热平衡收支项目和需要考核的技术经济指标等确定测定项目,选定测点,测点具体开孔位置要根据现场实际情况,并应使测量参数有代表性,又要测量方便。
对流量和含尘量等测定还要注意避免涡流等。
(5)测定所需要的仪器、规格和数量。
(6)测量总负责人,各测定项目的负责人,数据汇总和热工计算负责人。
(7)测定前必须完成的准备工作。
(8)其它。
2、热工测量的准备工作
为了保证测定的顺利进行并获得可靠的测定结果,必须在测定前做好充分准备,准备工作包括以下方面:
(1)思想准备:
参加测定的人员应明确测定的目的意义,树立全局观点,加强组织性和纪律性,服从统一指挥,必须认识到每个单项测定数据的正确与否对整个测定都有影响,各个测点无论简单或复杂都是整个测定的重要组成部分,若一个数据发生差错,会直接影响整个系统数据的处理。
因此,参加测试的每一个人员务必严肃、认真地进行测试工作。
(2)组织准备
建立测定的指挥领导小组,明确总负责人,统一指挥安排有关事宜,使测定工作能有计划、有步骤地进行。
按测定项目和测定点进行人员分工,分工要具体,每个人对所负责项目的测定目的、方法和要求应有充分了解。
(3)物质准备
测量前,对工厂的生产流程、技术现状和主要经济技术指标等要有一个程度的了解,以便于对比。
测量仪器要齐全,测试人员必须熟悉仪器性能并能熟练地进行操作,测定前应逐一进行检查,对某些仪表,如热电偶、毕托管、风速计和流量计等要进行校验,对一些物料量的计量设备要预先进行标定。
各取样孔,测定孔均需预先按要求位置、尺寸开好,已有的孔要进行清理,某些测点还要搭好操作平台或放置仪器的架子等。
测定前要做好空白记录表格,项目要齐全,以免临时遗漏。
测定前,设备要有相当一段时间处于正常运转状态下。
(4)预测
各项准备工作就绪后就可以进行预测,某些难度较大的项目要先单独预测,最后在统一指挥下再进行全面预测。
熟悉测量内容,进一步检查仪器灵敏度,练习相互协调配合,并检查有无漏项,经过二、三次预测,如果一切均很正常就可正式测定。
正式测量时应连续进行,并应尽量保持操作制度稳定。
3、热工测量数据的汇总工作
测定按计划结束、数据收齐后,需要加以汇总:
(1)根据测定的原理和方法,逐项检查数据是否完全,单位是否正确。
(2)检查是否有测定情况异常、无代表性的数据,如有必须争取及早补做。
(3)根据分析有明显矛盾、不合理的数据,要研究决定重做测定。
(4)对同一测点进行多次测定,然后求其平均值。
(5)数据取舍,还应参考非测定时间内所积累的数据。
(6)最后须列出清晰的数据汇总表,供热工计算用。
4、热工计算的程序
根据数据汇总表,进行物料平衡热平衡计算:
(1)画出物料平衡热平衡图,列出收支项目。
(2)确定热工计算基准。
(3)逐项计算收入和支出的物料量和热量。
(4)通过热平衡计算热耗量与实际值对照。
(5)列出热平衡表,计算各项热工技术指标。
(6)在热工计算的基础上,结合具体情况,从热工过程、热量分配及主要经济技术指标等方面进行综合分析,并提出改进生产的具体措施。
5、热工测量报告的内容
完整的热工测量报告应包括以下几方面的内容:
(1)、测量的任务、内容及要求。
(2)、测点布置图及所用仪器仪表、计量装置等。
(3)、数据汇总表
系统设备概况和热工测量数据汇总表。
(4)、热工计算
包括单项计算及系统物料平衡、热平衡计算等。
(5)、综合分析意见
对窑炉系统生产状态的评价和分析意见和改进意见。
六、硅酸盐工业窑炉热平衡测量方案
1、燃油(气)玻璃池窑热平衡测量方案
(1)热平衡体系
燃油(气)玻璃池窑热平衡体系包括熔化部、冷却部、成型部、小炉、蓄热室(换热器)及部分烟道,以窑体的外表面和物料进、出窑体的界面作为体系与外界的分界面。
其热平衡方框图见图1所示,图中的符号含义见热平衡表4。
图12-1燃油(气)玻璃池窑热平衡框图
(2)热平衡测试方案(项目、方法),见表2。
表12-2玻璃池窑热平衡测试方案
测定项目
测量参数
测定方法
1
燃
料
成
分
重油成分(C、H、O、N、S、A、W)由燃料供应部门提供,密度和水分含量可在进窑端的管路上取样,由厂化验室测定,密度的测定方法按国标进行。
气体燃料成分(CO、H2、CH4、CnHm、O2、H2、CO2)在进窑端取样后用奥氏气体分析仪测定,气体燃料中的水分、焦油含量按有关方法测定。
取三次平均值。
低位发热量
燃料的低位发热量可用专门的热量计测定,也可根据燃料成分计算。
温度
重油、冷煤气在进入体系的入口用温度计测量,热煤气用热电偶或热电阻温度计测量。
流
量
重油用量用容积式流量计测量,并根据油温、密度换算成质量流量。
煤气流量用S型毕托管测量,至少测三次,取平均值或用煤气流量表计量。
2
助燃空气
温度
用水银温度计在助燃空气入体系的界面处测量。
流量
用毕托管或热球风速仪在助燃空气入体系的界面处测量。
3
冷却风
温
度
吹向窑体前的温度用水银温度计在风管喷出口内侧,取几点的平均温度。
吹向窑体后返风的温度用带遮蔽罩的水银温度计测量。
取几点的平均温度。
流量
在总风管上用毕托管或热球风速仪测量。
4
配合料
温度
用水银温度计在投料机出口测量料层温度。
用量
统计每班上料次数,折算为每天投料量,取测定期间平均值。
含水率
投料机出口取样分析。
碎玻璃含量
从配料单上粉料与碎玻璃比计算或碎玻璃称量记录。
成分
各种粉料的化学成分由厂化验室提供。
5
玻璃液
温度
在出体系处用热电偶测量,至少测三点,取平均温度,或用红外辐射仪测量。
产量
根据实测的玻璃液出料量得出,当根据出料量计算有困难时,也可根据投料量计算。
6
烟气
温度
出
体
系
温
度
对蓄热式窑,在烟气出体系界面处分上、中、下三点,分别用抽气热电偶或热电偶连续测量一个换向周期,先求得各点在一个换向周期内烟气的平均温度,然后再求三个平均温度的平均值。
对换热式窑,在出换热器后烟气出体系的界面处,分不同部位,测三点的温度,求平均值。
计算流量温度
对蓄热式窑,测定方法同上,只是求平均值时,取的是测流量时间内通过烟气的平均温度。
对换热式窑,与出体系烟气温度相同。
流量
静压
在烟道内烟气出体系界面处用毕托管与微压计测量,至少测三次,取平均值。
在测量困难时,可用计算方法(按烟气成分计算)。
成分
用球胆或取样瓶在烟道内取样,用奥氏气体分析仪测量。
含水率
在烟道内烟气出体系界面处,取样分析。
7
表
面
散
热
量
表
面
温
度
根据窑的结构,各部位所处的环境,将窑的外表面分成大碹顶、胸墙、池壁、池底、流液洞、小炉碹顶、小炉侧墙、小炉底、蓄热室顶、蓄热室墙、换热器表面、烟道等不同表面区域,然后根据区域面积的大小和表面温度的差异,再在每个区域内分别确定几个或几十个测点,用表面温度计或红外辐射仪测量各测点表面温度。
表面散
热量
根据表面温度计算各个测点的表面散热量,或用热流计直接测表面散热量。
表面积
根据设计图纸计算或实侧。
8
孔口
辐射散热量
辐射温度
孔口内温度用红外辐射高温计或光学高温计测量。
孔口面积
用直尺测量或查图纸计算。
9
孔口溢流气体
温度
用热电偶测量。
流量
用微压计测量孔口内外静压差后计算。
10
冷却水
温度
进出口温度用水银温度计或热电阻温度计测量。
流量
用盛器、秒表、尺测量,然后计算质量流量,或水表计量。
11
雾化介质(压缩空气)
温度
用水银温度计或热电阻温度计测量。
流量
流量用带有温度、压力补偿的孔板或其他等同效果的流量计测量,无法测量时可取设计值5%。
12
余热
汽包
进水温度
用水银温度计测量。
进水量
用水表、涡轮流量计或贮水罐液面变化计量。
蒸气压力
压力表测量。
蒸气含湿量
炉水、蒸气取样分析。
13
环境
温度
温度
对各个不同的表面区域,分别取区域附近的最低空气温度作为该区域的环境温度,用带遮蔽罩的水银温度计测量。
14
大气压
压力
用大气压力表测量,或采用当地气象部门周期测量的数据。
(3)物料平衡与热平衡
a、物料平衡表,见表3。
表3燃油(气)玻璃池窑物料平衡表
收入物料量(kg/h)
支出物料量(kg/h)
1
燃料量mrr
1
烟气myq
2
助燃空气mzk
2
玻璃液mbc
3
配合料mpx
3
溢流气体量myi
4
雾化介质mwk
4
其他mqt
5
漏入空气mlk
合
计
收入物料总量msr
合
计
支出物料总量mzcr
b、热平衡表,见表4。
表4燃油(气)玻璃池窑热平衡表
收入热量(kJ/h)
支出热量(kJ/h)
序
号
项目
数值
百分比%
序
号
项目
数
值
百分
比%
1
燃料燃烧热Qrr
1
玻璃液带出热Qbc
2
燃料显热Qrx
2
池窑表面散热Qbs
3
助燃空气显热Qzk
3
孔口辐射散热Qkf
4
雾化介质显热Qwx
4
孔口溢流气体显热Qky
5
漏入空气显热Qlx
5
冷却水带出热Qls
6
配合料显热Qpx
6
冷却风带出热Qlf
7
焦油燃烧热Qjr
7
烟气显热Qyq
8
焦油显热Qjx
8
换向热损失Qhx
9
燃料化学不完全
燃烧损失Qqb
10
汽包耗热Qqb
11
其他热损失Qqt
合
计
收入总热量Qsr
合
计
支出总热量Qzc
3.工艺计算
3.3热工计算
3.3.1燃料的燃烧计算,见表3-5;
3.3.2玻璃的成形耗热计算
1)100kg湿粉料形成氧化物的量,见表3-6
2)形成硅酸盐耗热(以1公斤湿粉料计,单位是千卡/公斤)
由碳酸钙生成硅酸钙时反应耗热量q1
q1=367GCaO=367×(0.018821+0.001036+0.000299)
=7.397千卡
由Na2CO3生成Na2SiO3时反应耗热量q2
q2=227.3GNa2O=227.3×0.078771
=17.905千卡
由碳酸镁生成硅酸镁时反应耗热由q3
q3=828GMgO=828×(0.000433+0.000311)
=0.616千卡
CaMg(CO3)2生成CaMg(SiO3)2时反应耗热量q4
q4=658.6GCaMgO2=658.6×(0.040541+0.027027)
=44.500千卡
所以由1千克湿粉料生成硅酸盐耗热
qⅠ'=q1+q2+q3+q4
=7.397+17.905+0.616+44.500
=70.418千卡
表3-5燃料燃烧计算
重油化学组成(%)
需氧量(m3/㎏油)
燃烧反应式
燃烧产物量(m3/㎏油)
CO2
O2
N2
H2O
SO2
总量
C
86.7
1.6184
C+O2=CO2
1.6184
H
11.5
0.644
4H+O2=2H2O
1.3171
S
0.5
0.0035
S+O2=SO2
0.00595
N
0.8
0.0064
2.2659
O
0.4
-0.0028
2.2631
取α=1.2
过剩O2量
0.5431
0.5431
共需O2量
2.7121
引入N2量
10.5568
10.5568
空气需要量
13.363
燃烧产物量
1.6184
0.5431
10.5568
1.288
0.0035
14.0098
燃烧产物成分(%)
11.55
3.88
75.35
9.19
0.03
100.00
3)100kg湿粉料去气产物的组成,见表3-7
4)玻璃形成过程耗热计算(熔化1公斤玻璃液)
支出热量:
①加热玻璃液到1480℃耗热:
其中
表3-6100公斤湿粉料中形成氧化物的数量
原料名称
形成玻璃液的氧化物的计算
氧化物质量
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
R2O
总数
硅石粉
52.86*0.98*0.9914=51.357
51.357
51.8028
52.86*0.98*0.0005=0.0259
0.0259
52.86*0.98*0.002=0.1036
0.1036
52.86*0.98*0.0006=0.0311
0.0311
52.86*0.98*0.0055=0.2849
0.2849
石英砂
3.83*0.6588=2.5232
2.5232
3.83
3.83*0.189=0.7239
0.7239
3.83*0.0078=0.0299
0.0299
3.83*0.0020=0.0077
0.0077
3.83*0.1424=0.5454
0.5454
白云石
12.87*0.0045=0.0579
0.0579
6.8276
12.87*0.001=0.0129
0.0129
12.87*0.3150=4.0541
4.0541
12.87*0.21=2.7027
2.7027
石灰石
3.52*0.0019=0.0067
0.0067
1.9370
3.52*0.0014=0.0049
0.0049
3.52*0.5347=1.8821
1.8821
3.52*0.0123=0.0433
0.0433
纯
碱
13.74*0.98*0.585=7.8771
7.8771
7.8771
硝酸钠
4.0*0.98*0.3565=1.3975
1.3975
1.3975
合计
54.460
0.7435
0.0308
6.0697
2.7848
10.105
74.1932
玻璃成分/%
76.40
1.00
0.04
8.18
3.75
13.62
100.00
②加热去气产物到1480℃耗热
0.01V去·G粉·
·t熔
=0.01×21.59×0.935×1480×0.5156
=154.0419千卡
其中
=0.01[Cco2·CO2%+CH2O·H2O%]=0.5156千卡/标m³·℃
③生成硅酸盐耗热
④形成玻璃耗热
=50.692千卡
其中:
表3-7100公斤湿粉料去气产物的组成
原料
名称
去气产物量计算
去气产物
CO2
H2O
总量
硅石粉
52.86*0.98*0.0011=0.0570
0.0570
1.1142
52.86*0.02=1.0572
1.0572
长石粉
3.83*0.0037=0.0142
0.0142
0.0142
白云石
12.87*0.4752=6.1158
6.1158
6.1158
石灰石
3.52*0.4398=1.5481
1.5481
1.5481
纯碱
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