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:
SiO2-72 %
Fe2O3+AL2O3-2,3 %
Na2O+К2О-14%
CaO+MgO-11,5%
SO3-0,2%

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=358CH4+637C2H6+912C3H8+1186C4H10;
Qн=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м3

Уравнения реакций горения составных частей топлива:
CH4+2O2=CO2+2H2O+Q;
C2H6+3,5О2=2СО2+3Н2О+Q;
C3H8+5O2=3CO2+4H2O+Q;
C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O+Q.
Коэффициент избытка воздуха L=1,1.
Расчет горения сводим в таблицу:

|Состав|Содержани|Расход воздуха на 1м3 |Выход продуктов горения на 1 м3 |
|топлив|е газа, |топлива, м3 |топлива,м3 |
|а, % |м3/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 | |
О2ТиО2Д-расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при
L=1,1; N2Д- действительный объем азота из воздуха; VL-действительный расход воздуха для горения 1 м3 газа; VД-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
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:

Ф1=QнХ, где Qн-теплота сгорания топлива,кДж/м3;

Х- секундный расход топлива, м3/с.

Ф1=35200Х кВт.
2. Поток физической теплоты, поступающий с воздухом, кВт:

Ф2=VLcвtвХ, где VL-расход воздуха для горения 1 м2 топлива,м3; tв- 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=VДtДCДX,

Где VД -объем дымовых газов на 1м3 топлива, м3;
TД-температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, ?С; принимается равной температуре варки
1500? С;
CД –удельная теплоемкость дымовых газов при их температуре, кДж/(м3*?С).

Удельную теплоемкость продуктов горения подсчитывают как теплоемкость смеси газов:

сД=cСО2 rCO2+cH2O rH2O+cN2 rN2+cO2rO2,

где r-объемная доля компонентов газовой смеси; с-теплоемкость газов, кДж/(м3*?С);
СД1500=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?F(Т1/100)4-(Т2/100)4)/1000.
Где Со- коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м2*К4);

?- коэффициент диафрагмирования;

F- площадь поверхности излучения, м2;

Т1иТ2- абсолютная температура соответственно излучающей среды и среды, воспринимающей излучение, К

а ) Излучение через загрузочный карман. Для расчета коэффициента диафрагмирования ? принимаем отверстие за прямоугольную щель высотой
Н=0,2м, шириной равной ширине загрузочного кармана –1,7 м, толщиной арки
?=0,5 м.
Тогда
Н/?=0,2/0,5; ?=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 t1=1400?C,а температуру окружающего воздуха t2=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; ?=0,5:
Н/?=0,8(?).
Принимаем среднюю температуру в пламенном пространстве варочной части t1=1450?С, а температуру внутренних стенок горелок t2=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)gcст(t1-t2), 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); t1 и t2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы
1350 и 1250? С; сст=0,1605+0,00011tст=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=(tвн - tв/S ?/?+1/?2)*F, где tвн- температура внутренней поверхности кладки, ?С tв- температура окружающего воздуха,? С;

?-толщина кладки, м;

?-теплопроводность огнеупора данного участка, Вт/(м*?С);
?2-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки окружающему воздуху,
Вт/(м2*?С).
Если принять

(tвн - tв/S ?/?+1/?2=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=??/?; при двуххслойной стенке r=?1/?1+?2/?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

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.

2) Площадь стен бассейна. Верхний F1 и средний F2 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 м2.

Складываем площади двух продольных и поперечной стены с учетом площади продольных стен загрузочного кармана.

Нижний ряд F3

F3=(7,92+1)*0,4*2+6,9*0,4=9,89 м2.

3) Площадь стен пламенного пространства

Fп.п.=2Fпрод.+Fторц.-Fвл.
Принимаем предварительно высоту стены пламенного пространства равной 1 м.

Fпрод.=8,2*1=8,2 м2.
Площадь Fторц. Определяют по эскизу.

Определяем площади F1,F2,Fк: при этом Fторц.=F1+F2-2Fк.
Где F1,F2 и Fк – площадь сегмента, прямоугольника и под арками загрузочных карманов.

Для определения площади сегмента применяем упрощенную формулу:

Fсегм. =2/3bf,

где b-длина хорды; f-стрела подъема свода, равная 1,02м.
Тогда

Fсегм.= 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: