Расчет паропроизводительности котла-утилизатора по заданным параметрам

Практическое занятие

Материльный и конструктивный расчет печи с кипящим слоем для обжига серного колчедана

 

Серный колчедан(пирит) – один из самых распространенных минералов класса сульфидов, FeS₂.

Чистый серный колчедан содержит 53,5% серы и 46,5% железа.

Серный колчедан является основным материалом для получения серной кислоты. Полученную в специальных печах газообразную двуокись серы затем окисляют до SO₃, которая абсорбируется водой с образованием серной кислоты. В качестве твердого отхода образуется пиритный огарок.

Пиритные огарки являются ценным сырьем в производстве цемента и в черной металлургии.

Материльный расчет

1. Атомный (мольный) вес химических элементов:

- железо – 55,85 » 56 кг/кмоль;

- сера – 32,07 » 32 кг/кмоль;

- кислород – 16 кг/кмоль.

2. Химическая реакция окисления серного колчедана:

4FeS2 + 11O2= 2Fe2O3 + 8SO2

3. Массовые стехиометрические соотношения по химической реакции:

4*(56+2*32)+11*2*16=2*(2*56+3*16)+8*(32+2*16)

Итого: 480 + 352 = 320 + 512

 

4. Массы веществ, участвующих в химической реакции:

– серного колчедана M _FeS2^хим= 480 кг;

– серы в колчедане M _S^хим= 256 кг;

– всего кислорода M _O2^хим= 352 кг;

– кислорода в двуокиси серы M _O2^газ= 256 кг;

– оксида железа M _Fe2O^хим= 320 кг;

– двуокиси серы M _SO2^хим= 512 кг.

5. Массы веществ, участвующих в химической реакции, с учетом содержания в огарке примеси (X _прим^огар = 0,2) и серы (X _S^огар = 0,02):

– огарка M _огар^факт= M _Fe2O^хим/(1– X _прим^огар– X _S^огар)= 320/(1–0,2–0,02)= 410,2 кг;

– примеси M _прим^факт= M _огар^факт_* X _прим^огар = 410_*0,2= 82 кг;

– серы в огарке M _S^огар =M _огар^факт_* X _S^огар =410_*0,02= 8,2 кг;

– сухого пирита M _пир =M _{Fe S2}^хим+ M _прим^огар = 480+82= 562 кг;

– влаги в пирите (u _вл^пир = 0,02): M _вл^пир = M _{пир *} u _вл^пир/(1– u _вл^пир) = 562 * 0,02/(1–0,02) = 11,5 кг;

– двуокиси серы M _SO2^факт =M _SO2^хим(M _S^хим– M _S^огар)/ M _S^хим= 512*(256–8,2)/256= 495,6 кг;

– кислорода M _O2^факт =M _O2^хим– M _O2^газ_* M _S^огар/ M _S^хим= 352–256_*8,2/256= 343,8 кг.

6. Теоретические массовые расходы на 1 кг сухого пирита:

– огарка g _огар^факт = M _огар^факт/ M _пир= 410,2/562= 0,73 кг/кг пир.;

– кислорода g _O2^факт = M _O2^факт/ M _пир= 343,8/562=0,61 кг/кг пир.;

– двуокиси серы g _SO2^факт = M _SO2^факт/ M _пир= 495,6/562= 0,88 кг/кг пир.;

– влаги g _вл^пир= M _вл^пир/ M _пир= 11,5/562= 0,02 кг/кг пир.

7. Плотность газообразных соединений при нормальных условиях (T _о=273 К):

– кислорода r^о_O2= M _O2^мол/ V _O2^мол= 32/22,4= 1,43 кг/м³ (н.у.);

– диоксида серы r^о_SO2= M _SO2^мол/ V _SO2^мол= 64/22,4= 2,86 кг/м³ (н.у.);

– водяных паров r^о_H2O= M _H2O^мол/ V _H2O^мол= 18/22,4= 0,803 кг/м³ (н.у.);

– воздуха r^о_в= 1,293 кг/м³ (н.у.).

8. Теоретические объемы, приходящиеся на 1 кг сухого пирита:

– диоксида серы V ^о_SO2= g _SO2^факт/r_SO2=0,88/2,86= 0,31 м³/кг пир. (н.у.);

– кислорода V ^о_O2= g _O2^факт/r_O2= 0,61/1,43= 0,427 м³/кг пир. (н.у.);

– сухого воздуха V ^о_возд = V ^о_O2/X_O2^возд = 0,427/0,21= 2,03 м³/кг пир. (н.у.);

– водяных паров V ^о_H2O =(g _вл^пир+0,01 V ^о_возд) /r_H2O= (0,02+0,01_*2,03)/ /0,803= 0,04 кг/кг пир. (н.у.);

– газообразных продуктов горения V ^о_газ= V ^о_SO2 +V ^о_возд+ V ^о_H2O = =0,31+2,03+0,04= 2,38кг/кг пир. (н.у.).

9. Объемы газообразных компонентов (при избытке воздуха a_в=1,05):

– сухого воздуха V _возд=a_в V ^о_возд= 1,05_*2,03= 2,13 м³/кг пир. (н.у.);

– водяных паров V _H2O = V ^о_H2O + 0,01 V ^о_возд(a_в–1) /r_H2O= 0,04+0,01* _*2,03 _*(1,05–1)/0,803=0,065 м³/кг пир. (н.у.);

 

– газообразных продуктов горения V _газ= V ^о_SO2 +V _возд+ V _H2O= =0,31+2,13+0,065=2,5 кг/кг пир. (н.у.).

10.Содержание двуокиси серы в газообразных продуктах горения:

X _SO2= V ^о_SO2/ V _газ = 0,31 / 2,5 = 0,124 м³/ м³ газ. или 12,4 %, что соответствует эксплуатационным данным печей обжига пирита в кипящем слое.

 

 

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

1. Объемный расход воздуха при температуре t _в= 20 °С

(сжигается B _пир = 14 т/ч = 3,89 кг/с):

V _в^сек= B _пир V _возд T _в/ T =3,89*2,13*(273+20)/273= 8,89 м³/с (н.у.).

2. Кинематический коэффициент вязкости воздуха при температуре t _в=20 °С:

n_в = 15,2_*10^–6 м²/с.

3. Плотность воздуха при температуре t _в= 20 °С:

r_в=r^о_в* T _о/ T _в =1,293_*273/(273+20) = 1,205 кг/м³.

Число подобия Архимеда для частиц огарка в кипящем слое

(при плотности огарка r_т=4800 кг/м³, размере частиц d _т= 0,4 мм):

Ar=d³r_т g/(n_в²r_в)=(0,4_*10^–3)³_*4800*9,81/((15,2_*10^–6)² _*1,205)= 10825.

Число подобия Рейнольдса для кипящего слоя

(при порозности e=0,71):

Re_о=Ar_*e^4,75/(18+0,6 (Ar_*e^4,75)^0,5)= 10825_*0,71^4,75/(18+0,6_{* *}(10825_*0,71^4,75)^0,5) = 46,582.

6. Фиктивная скорость псевдоожижающего воздуха в кипящем слое:

u _o=Re_*n_в/ d _т=46,582*15,2_*10^–6/0,4_*10^–3= 1,77 м/с.

7. Расчетный диаметр кипящего слоя в печи обжига пирита:

D _сл=(4_* V _в^сек/(p u _o))^0,5=(4_*8,89/(p*1,77)) ^0,5= 2,23 м.

Расчет паропроизводительности котла-утилизатора по заданным параметрам

Рассчитаем паропроизводительность котла-утилизатора по уравнению теплового баланса: при заданных условиях

Принципиальная схема котла-утилизатора

Паропроизводительность котла-утилизатора определяется из следующего уравнения теплового баланса:

где – тепловой кпд котла-утилизатора, по заданию составляет =0,95; – паропроизводительность котла-утилизатора, т/ч; – температуры газов на входе в котел и выходе из котла, по заданию , ; расход воды на продувку котла, принимаем 3% от паропроизводительности котла-утилизатора; – энтальпия питательной воды, при составит [4, прил. V]; – теплоемкость газов,