Расчет потребления воды в системе очистки вагранки (производительность вагранки – 3 т/ч, количество вагранок – 2 шт)

Расчет потребления воды в системе очистки вагранки.

Система очистки от пыли отходящих ваграночных газов состоит из пылеуловителя (по одному на вагранку), орошаемого газохода, двух каплеуловителей, бака – отстойника, насосов и системы трубопроводов (рис.1). Пылеуловитель скрубберного типа (НИЛОгаз) с внутренним обтекателем, двумя ярусами орошения по шесть форсунок ударного типа. Диаметр корпуса – 2,0 м, высота (полная)  - 2,48 м, диаметр внутреннего обтекателя (максимальный) – 1,5 м, угол конуса 11º , высота рабочей части (от  устья вагранки до трубы пылеуловителя) – 1,45 м. Материал – ст3. Гидравлическое сопротивление ~ 12 мм вод. ст. (120 МПа).

Исходные данные.

1.  Производительность вагранки – 3 т/ч

2.  Количество вагранок – 2шт

3.  Режим работы – 1 смена 8 часов, розжиг 2 – 3 часа, вагранки работают поочередно по 2000 ч/год

4.  Расход кокса 15 – 16 %

5.  Расход флюсов 4 – 5 %

6.  Диаметр вагранки (в свету) – 0,75 м

7.  Расход газов * - (5 – 6)·10³ м³/ч

8.  Температура газов конечная * - (80 – 100) ºC

9.  Запыленность на выходе из мокрого пылеуловителя–(0,35–0,65)г/см³

10. Концентрация * СО – 1,2 – 2,1 г/м³

11. Концентрация * SО₂ – 0,02 – 0,05 г/м³

12.Концентрация * NО – 0,02 – 0,04 г/м³

13. Расход воды (оборотный) – 5 – 6 м³/ч

14.Температура на сливе из пылеуловителя

max - 76ºC

min - 40ºC

15.Температура воды в баке – отстойнике

max - 55ºC

min – 5 - 15ºC

*- на выходе из пылеуловителя

Остальные параметры, необходимые для расчета, получены аналитическим путем, а также в результате натурных испытаний вагранок с системами очистки аналогичного типа и нормативным документам (ссылки даны по тексту).

Расчет теплового баланса

Количество тепла, расходуемое в вагранке на 1 т выплавляемого чугуна, включает полезно затрачиваемое на получение чугуна (Q_чуг=1254000кДж/т) и шлака (Q_шл=146300кДж/т) и потери с отходящими газами.

Расход кокса на 1 т чугуна составляет 160-180 кг, что при теплотворной способности q_k=(27170-30096) кДж/кг, составляет от 4,35 до 5,417 млн. кДж/т или (21,736-27,086) млн. кДж/ч с отходящими газами в виде физического тепла (Q_физ) и химического (Q_хим) тепла (в виде горючего газа СО) отходящими газами.

При использовании мокрого пылеуловителя это тепло расходуется в основном на нагрев и испарение воды орошения в процессе очистки отходящих газов от пыли. Газы при этом охлаждаются до (80-150)ºС и насыщаются парами воды до 250-400 г/м³(х-влагосодержание насыщенного водяного пара при t=(80-100)ºС составляет (293-598)г/м³ соответственно).

Расчет количества воды, необходимого для охлаждения отходящих газов, определяется по тепловому балансу:

Q_в =Q_газ –Q_ст

где Q_в – количество тепла, отбираемое водой за счет ее нагрева и испарения,

Q_газ – количество тепла, отдаваемое отходящим газам в пылеуловителе,

Q_ст – потери тепла в окружающую среду через стенки.

Q_в= Q_в1+ Q_в2+ Q_в3 ,   (1)

Или в развернутом виде:

Q_в= W_в´с_в(t_k-t_o)+ n´W_в´с_в(100-t_k)+ n´W_в´q_г ,   (2)

где W_в – расход воды;

t_o, t_k – температура воды на входе и сливе из пылеуловителя,

Q_в1, Q_в2, Q_в3 – расход тепла на нагрев воды в пылеуловителе, с_в – теплоемкость воды, принято с_в=4,18 кДж/см³·К.

n – доля испарившейся воды в пылеуловителе,

q_г – скрытая теплота парообразования.

,    (3)

где W_газ – расход отходящих газов;

t_вх, t_вых – температура газов на входе и выходе из пылеуловителя, с_в – теплоемкость газов, принято с_р=1,42 кДж/м³·град.

Расчет выполняется методом последовательных приближений, так как начальная температура воды в процессе плавки изменяется от t_о=(5-15)ºС до максимально возможного t_k-т. н. температуры «мокрого термометра» - t_м, после чего в расчете Q_в может учитываться только расход тепла на испарение.

Соответственно будет изменяться n от минимального при t_o=5ºС до максимального значения при t_k=t_м.

Температура на входе в пылеуловитель может колебаться в пределах от 750 до 1030 ºС при горении газов с концентрацией СО = 18% и более в условиях данной вагранки.

Q_газ может быть рассчитана по тепловому эффекту реакции горения СО в отходящих газах, точнее по энтальпии газов на выходе из слоя шихты.

Q_газ=q_co´W_co+Q_физ ,   (4)

где q_co – тепловой эффект реакции СО+0,5О₂=СО₂ в кДж/моль или кДж/м³ СО,

W_со – разность количества СО в газах на выходе из шихты и остаточного количества в отходящих газах на выходе из пылеуловителя,

Q_физ – физическое тепло газов на выходе из слоя шихты с учетом t_газ=750ºС.

Q_физ=с_р´W_в´t_газ  ,   (5)

Q_физ=0,34´(8000-85000)´(250-350)=(680-1012)´10³

Q_со=10182,48 кДж/кг СО.

Исходная концентрация СО в газах на выходе из слоя шихты 16-18 % при расходе Q_к=(8-8,5)´10³м³/ч, что составляет

W_{со к}=(1280-1530)м³/ч= (1600-1912) кг/ч.

Конечная концентрация СО составляет (18,9-29,4)г/м³ при расходе отходящих газов W_газ=13400 м³/ч. Остаточное количество СО:

W_{со отх}=(253-394)кг/ч.

Отсюда:

W_со=(1600-1912)-(253-394)=(1347-1518)кг/ч.

Q_газ=16561,16-19683,62)´10³ кДж/ч.

Максимальное количество тепла, отдаваемое газами в пылеуловителе:

 кДж/ч, что близко к максимальному расходу тепла, полученному по формуле (4) – 19683,62´10³ кДж/ч. Разность в 2926´10³ кДж/ч и составляет максимальные потери через стенки пылеуловителя, Q_ст=2926´10³ кДж/ч.

Максимальное количество испаряемой воды в начальный период работы при t_о=15ºС и W_в=10 м³/ч рассчитывается из баланса, Q_в=Q_газ путем подстановки значения t_k=40ºС (по практическим данным)

 ,   (6)

В результате: n=0,51 или W_исп=5,1м³/ч.

В процессе работы вагранки вода в баке-отстойнике охлаждается только за счет испарения с поверхности зеркала воды и потерь через стенки бака и трубопроводов, поэтому температура воды в баке, примерно, за 2,5 ч повышается до максимально возможной в условиях работы пылеуловителя, как скоростного полого скруббера (в случае работы без подпитки). Эту температуру можно вычислить по диаграмме (энтальпия-влагосодержание) с учетом параметров газов на выходе и входе из пылеуловителя. Максимальная температура нагрева воды t_м составит по i-х диаграмме. Без подпитки свежей холодной водой температура в баке будет ниже t_м только за счет конвективного теплообмена.

Охлаждение по тракту и в баке можно ориентировочно оценить в (3-5)%. Тогда на входе в пылеуловитель максимальная температура t_м составит (68,5-70)ºС.

Пылеуловитель в этом случае будет работать в чисто испарительном режиме. Количество испарившейся воды составит:

  , (7)

n=0,58, W_исп=5,8 м³/ч.

Максимальное количество испарившейся воды при работе в испарительном режиме пылеуловителя составит 5,8 м³/ч, а с учетом потерь на испарение в баке-отстойнике – W_исп=(5,9-6,0)м³/ч.

Продолжительность нагрева воды в баке до t_мможно рассчитать методом последовательных приближений по балансу тепла, поступающего в бак со сливной водой, который несет в начальный период n´Q_в тепла, требуемого для подогрева воды в баке с учетом подпитки его свежей холодной водой Q_б: