по дисциплине «Коксование углей»
Расчет материального, теплового баланса и гидравлического режима процесса коксования угольной шихты в коксовых печах
Составил: старший преподаватель
Горохов А.В.
Магнитогорск
Задание на курсовой проект.
Вариант 1
Технический анализ шихты: влага шихты Wрш = 8 %; зола шихты Асш = 8,5%; общее содержание серы в шихте Sсш = 0,6 %; выход летучих веществ Vгш = 25,0 %. Насыпная масса сухой шихты γсш = 800 кг/м3. Элементный состав шихты, % на горючую массу: Сгш = 87,5 %; Нгш = 4,8 %; Огш = 4,2 %; Nгш = 1,5 %; Sгш = 2,0 %.
Таблица 1 - Состав газов
Компоненты газа | Отопительный газ, % объём. на сухую массу Qрн = 7,0 МДж/м3 | Обратный коксовый, % объём. на сухую массу | |
доменный | коксовый | ||
Н2 | 6,2 | 55,98 | 55,98 |
СН4 | 0,66 | 26,95 | 26,95 |
СО | 26,85 | 7,56 | 7,56 |
СО2 | 18,2 | 4,35 | 4,35 |
С2 Н4 | --- | 0,8 | 0,8 |
N2 | 46,03 | 1,26 | 1,26 |
H2 S | 1,56 | 0,9 | 0,9 |
O2 | 0,5 | 2,2 | 2,2 |
Wр | 78 г/м3 | 28 г/м3 | --- |
Коэффициент избытка воздуха α = 1,5.
Коэффициенты перехода элементов из шихты в газ: азота kN = 0,16; серы kS = 0,29; кислорода kО = 0,505. Коэффициент выхода газа kг = 2,7.
|
|
Выход летучих из кокса Vск = 0,9 %. Размеры камеры коксования: высота h = 4,98 м; длина L = 15,14 м; средняя ширина bср = 0,41 м; ширина с машинной стороны bмс = 0,385 м; ширина с коксовой стороны bкс = 0,435 м; толщина свода камер hл = 1,032 м; полная высота камеры hк = 6,0 м; высота регенератора и зоны косых ходов hр = 3,2 м. Расстояние между осями камер А = 1,32 м. Число загрузочных люков n1 = 3; поверхность загрузочного люка fзл = 0,36 м2. Число смотровых лючков n2 = 28; поверхность смотрового лючка fсл = 0,04 м2. Продолжительность оборота печи τ = 15 часов. Число камер в батарее n = 65.
Масса расчётной единицы шихты фактической влажности Е = 1000 кг. Теплоёмкость горючей массы шихты сш = 1,09 кДж/(кг*К), теплоёмкость золы сз = 0,71 кДж/(кг*К); средняя теплоёмкость кокса ск = 1,486 кДж/(кг*К); энтальпия сероводорода IH2S = 1230,98 кДж/м3 при tхпк = 700 0С; теплоёмкость аммиака сNH3 = 2,688 кДж/(кг*К).
Температура загружаемой шихты tш = 10 0С, температура отопительного газа tотоп = 50 0С, температура окружающей среды tв = 100С; конечная температура кокса tк = 1050 0С; температура химических продуктов коксования tхпк = 700 0С. Упругость водяных паров при tв Рнас = 1227,97 Па. Относительная влажность воздуха φ = 0,75. Барометрическое давление В = 98500 Па. Скорость ветра w = 5 м/с.
Температуры поверхности участков коксовой печи приведены в таблице 2.
Исходные данные для гидравлического расчета коксовых печей приведены в таблице 3. Таблицы 2 и 3 (см. методичку).
Таблица 2 - Температуры поверхности участков коксовой печи
Участок поверхности коксовой печи | Температура, 0С |
Загрузочные люка t1 | |
Свод камеры t2 | |
Смотровые лючки t3 | |
Свод обогревательного простенка t4 | |
Лобовая стенка к.с. t5кс | |
Лобовая стенка м.с. t5мс | |
Двери с коксовой стороны t6 | |
Двери с машинной стороны t7 | |
Торцевая стена обогревательного простенка с к.с. t8 | |
Торцевая стена обогревательного простенка с м.с. t9 | |
Стена регенератора t10 |
Таблица 3 - Исходные данные для гидравлического расчета коксовых печей
|
|
Участок отопительной системы | Сечение F, м2 | Длина L, м | Диаметр эквивалентный D, м | Температура, 0С |
Восходящий поток | ||||
Подовый канал | 0,141 | 6,923 | 0,351 | |
Колосниковая решетка | ||||
Минимальные | 0,00096 | --- | 0,035 | |
Средние | 0,00241 | 0,102 | 0,0525 | |
Максимальные | 0,00385 | --- | 0,07 | |
Насадка регенератора | 1,13 | 2,145 | 0,03 | 100 - 1200 |
Наднасадочное пространство | ||||
Минимальные | 0,248 | --- | --- | |
Средние | 1,732 | 0,12 | 0,501 | |
Максимальные | 2,8 | --- | --- | |
Косой ход (короткий) | ||||
На входе | 0,025 | --- | --- | |
Среднее | 0,012 | 1,2 | 0,109 | |
На выходе | 0,0063 | --- | --- | |
Вертикал | 0,218 | 3,96 | 0,445 | |
Перевальное окно | 0,114 | --- | 0,333 | |
Шахточка вертикала | --- | 1,936 | --- | |
Участок отопительной системы | Сечение F, м2 | Длина L, м | Диаметр эквивалентный D, м | Температура, 0С |
Нисходящий поток | ||||
Вертикал | 0,218 | 3,96 | 0,445 | |
Косой ход (длинный) | ||||
На входе | 0,0063 | --- | --- | |
Среднее | 0,012 | 1,54 | 0,109 | |
На выходе | 0,025 | --- | --- | |
Наднасадочное пространство | ||||
Минимальные | 0,248 | --- | --- | |
Средние | 1,732 | 0,12 | 0,501 | |
Максимальные | 2,8 | --- | --- | |
Насадка регенератора | 1,13 | 2,145 | 0,03 | 1300 - tпс |
Колосниковая решетка | tпс | |||
Минимальные | 0,00096 | --- | 0,035 | |
Средние | 0,00241 | 0,102 | 0,0525 | |
Максимальные | 0,00385 | --- | 0,07 | |
Подовый канал | 0,141 | 6,923 | 0,351 | (tпс – 50) |
Расчет материального баланса [3], с.174 - 183.
1. Пересчитаем элементный состав шихты и выход летучих с горючей массы на сухую. Коэффициент пересчёта х = (100 - Асш)/100 = (100 – 8,5)/100 = 0,915. Тогда элементный анализ на сухую массу, %: Ссш = 80,06 %; Нсш = 4,39 %; Осш = 3,84 %; Nсш = 1,38 %; Sсш = 1,83 %; выход летучих веществ Vсш = 22,88%.
2. Найдем содержание водорода в коксе на горючую массу по формуле:
Нгк = Vск *100/(100 - Асш) = 0,9*100/(100 – 8,5) = 0,98 %.
3. Рассчитаем выход кокса по эмпирической формуле
Gск = 94,92–0,84* Vсш +7,7* Нгк = 94,92–0,84*22,88 + 7,7*0,98 = 83,25 %.
4. Рассчитаем припёк кокса по формуле
а = 47,1 – 0,58*(100 - Vсш)*100/(100 - Vск) = 47,1-0,58*(100-22,88)*100/(100-0,9) = 1,96 %.
5. Рассчитаем плотность сухого обратного газа по данным плотности его компонентов и составу:
γ = 0,01*(2/22,4* Н2 + 16/22,4* СН4 + 28/22,4*СО + 44/22,4* СО2 + 28/22,4* С2 Н4 + 28/22,4* N2 + 34/22,4* H2 S + 32/22,4* O2) = 0,01*(2/22,4*55,98 + 16/22,4*26,95 + 28/22,4*7,56 + 44/22,4*4,35 + 28/22,4*0,8 + 28/22,4*1,26 + 34/22,4*0,9 + 32/22,4*2,2) = 0,493 кг/м3.
6. Рассчитаем выход смолы на сухую массу:
Gccм = (- 18,36 + 1,53* Vгш – 0,0126*(Vгш)2)*(100 - Асш)/100 = (-18,36 + 1,53*25-0,026*252)*(100-8,5)/100 = 3,331 %.
7. Рассчитаем выход сырого бензола на сухую массу:
Gcб = (- 1,61 + 0,144* Vгш – 0,0016*(Vгш)2)*(100 - Асш)/100 = (-1,61 + 0,144*25-0,0016*252)*(100-8,5)/100 = 0,906 %.
8. Рассчитаем выход аммиака на сухую массу:
GcNH3 = kN* Nсш*17/14 = 0,16*1,38*17/14 = 0,268 %.
9. Рассчитаем выход сероводорода на сухую массу:
GcH2S = kS * Sсш*34/32 = 0,29*1,83*34/32 = 0,564 %.
10. Рассчитаем выход пирогенетической влаги на сухую массу:
GcH2О = kО* Осш*18/16 = 0,505*3,84*18/16 = 1,534 %.
11. Рассчитаем выход сухого газа:
Gсг = kг* (Vсш)0,5 = 2,7*22,880,5 = 12,915 %.
12. Рассчитаем невязку баланса:
Δ = 100 - Gск - Gccм - Gcб - GcNH3 - GcH2S - GcH2О - Gсг = 100 – 83,25 – 3,331 – 0,906 – 0,268 – 0,564 – 1,534 – 12,915 = - 2,768 %. Невязка баланса менее 5 %, т.е. баланс верный. Если баланс имеет невязку более ± 5 %, то коэффициенты перехода элементов из шихты в газ можно принять другие, чем в задании для: азота kN = 0,07 - 0,16; серы kS = 0,17 - 0,29; кислорода kО = 0,334 - 0,505. Коэффициент выхода газа kг = 2,54 - 2,99 для приведения ошибки в норму.
13. Рассчитаем выход прямого коксового газа совместно с подсосанным воздухом из 1 тонны сухой шихты:
V/г = Gсг *10/ γ = 12,915*10/0,493 = 261,97 м3/т шихты.
14. Рассчитаем количество подсосанного воздуха:
|
|
Vвозд = (V/г* N2 – 0,035/ γN2 * Nсш*1000)/79 = (261,97*1,26 - 0,35/1,25 *1,38*1000)/79 = 3,69 м3/т шихты.
15. Рассчитаем выход прямого коксового газа совместно без подсосанного воздуха из 1 тонны сухой шихты:
Vг = V/г - Vвозд = 261,97 – 3,69 = 258,28 м3/т шихты.
16. Рассчитаем полезный объём камеры коксования:
Vпол = h*l*bср = 4,98*15,14*0,41 = 30,9 м3.
Сведем материальный баланс в таблицу 4.
17. Рассчитаем разовую загрузку сухой и влажной шихты в камеру:
Gcш = Vпол * γсш = 30,9*800/1000 = 24,72 т.
Тогда влажной шихты:
Gрш = Gcш *100/(100 - Wрш) = 24,72*100/(100 – 8) = 26,87 т.
18. Рассчитаем годовую производительность коксовой печи по сухой шихте:
Bcш1 = Gcш *24*365/ τ = 24,72*24*365/15 = 14436 т/год.
19. Рассчитаем годовую производительность коксовой батареи по сухой шихте:
Bcш = Bcш1 *n = 14436*65 = 938371,2 т/год.
20. Рассчитаем годовую производительность коксовой батареи по сухому коксу:
Bcк = Bcш *Gск/100 = 938371,2*83,25/100 = 781194 т/год.
Таблица 4 – Материальный баланс процесса коксования
Приходные статьи | Расходные статьи | ||
Статья | Процент | Статья | Процент |
1. Сухой уголь | 1.Валовый кокс | 83,25 | |
2.Коксовый газ | 12,915 | ||
2.Каменноугольная смола | 3,331 | ||
4.Бензольные углеводороды | 0,906 | ||
5.Аммиак | 0,268 | ||
6.Сероводород | 0,564 | ||
7.Избыточная аммиачная вода | 1,534 | ||
8. Невязка баланса | - 2,768 | ||
Итого | Итого |
Расчет теплового баланса процесса коксования [3], с.183 - 195.
При расчёте теплового баланса примем для упрощения, что в регенераторе подогревается только воздух, подаваемый на горение.
21. Переведём состав сухих отопительных газов на рабочий. Переводной коэффициент:
- для коксового газа: Хкг = (100 - Wр*0,1242)/100 = (100-28*0,1242)/100 = 0,9652;
- для доменного газа: Хдг = (100 - Wр*0,1242)/100 = (100-78*0,1242)/100 = 0,9031.
Тогда составы газов на рабочую массу будут:
Коксовый газ: Доменный газ:
Hр2 = 55,98*0,9652 = 54,03%; Hр2 = 6,2*0,9031 = 5,60%;
CHр4 = 26,95*0,9652 = 26,01%; CHр4 = 0,66*0,9031 = 0,60%;
COр = 7,56*0,9652 = 7,3%; COр = 26,85*0,9031 = 24,25%;
COр2 = 4,35*0,9652 = 4,2%; COр2 = 18,2*0,9031 = 16,44%;
C2 Hр4 = 0,8*0,9652 = 0,77%; Nр2 = 46,03*0,9031 = 41,56%;
Nр2 = 1,26*0,9652 = 1,22%; Oр2 = 0,5*0,9031 = 0,45%;
H2 Sр = 0,9*0,9652 = 0,87%; H2 Sр = 1,56*0,9031 = 1,41%
Oр2 = 2,2*0,9652 = 2,12%; W = 9,69%.
W = 3,48 %.
|
|
Сумма 100 % 100 %
22. Рассчитаем теплоту сгорания газов:
Qрн = 0,01*(Hр2 * QрнН2 + CHр4 *QрнСН4 + COр *QрнСО + C2 Hр4 *QрнС2Н4 + H2 Sр * QрнН2S),
где Hр2, CHр4, COр, C2 Hр4, H2 Sр – процентный состав горючих компонентов;
QрнН2, QрнСН4, QрнСО, QрнС2Н4, QрнН2S – низшие теплоты сгорания чистых компонентов смеси, ккал/м3 (см. Приложение 1).
Q = 0,01*(54,03*2577+26,01*8558+7,3*3016+0,77*14105+0,87*5534)*4,187 = 16727,95 кДж/м
Q = 0,01*(5,6*2577+0,6*8558+24,25*3016+1,41*5534)*4,187=4208,23 кДж/м .
23. Найдём доли каждого газа в смеси:
a = = (4208,23 – 7000)/(4208,23 – 16727,95) = 0,223;
a = 1- a = 0,777.
24. Составим смесь газов по методу аддитивности:
H = 54,03*0,223+5,6*0,777 = 16,4%;
CH = 26,01*0,223+0,6*0,777 = 6,27%;
CO = 7,3*0,223+24,45*0,777 = 20,63%;
CO = 4,2*0,223+16,44*0,777 = 13,71%;
C H = 0,77*0,223 = 0,17%;
N = 1,22*0,223+41,56*0,777 = 32,41%;
H2 Sрсм = 0,87*0,223 + 1,41*0,777 = 1,29 %;
O = 2,12*0,223+0,45*0,777 = 0,82%;
W = 3,48*0,223+9,69*0,777 = 8,31%.
25. Найдем количество кислорода, пошедшего на горение смеси.
Расчёт будем вести на 100 м3 смеси.
Записываем уравнения горения топлива:
16,4 8,2 16,4
2* H + О2 = 2*Н2О;
6,27 12,54 6,27 12,54
CH + 2*О2 = СО2 + 2*Н2О;
20,63 10,315 20,63
CO + 0,5*О2 = СО2;
0,17 0,51 0,34 0,34
C H + 3*О2 = 2*СО2 + 2*Н2О.
1.29 1.29 0.645 1.29
2*H2 Sрсм + 2*О2 = SО2 + 2*Н2О
Тогда количество кислорода, пошедшего на горение смеси:
V = 8,2 + 12,54 + 10,315 + 0,51+ 1.29-0,82 = 32,04 м /100м .
26. Найдем количество азота из следующих соображений. Будем считать, что воздух состоит из 79% азота и 21% кислорода.
V = 32,04* = 120,51 м /100м
27. Тогда количество воздуха теоретическое:
V = = 32,04 + 120,51 = 152,55 м /100м .
и действительное Vд0 = V *α = 152,55*1,5 = 228,83 м /100м = 2,29 м /м .
28. Найдем влагосодержание воздуха х возд по формуле:
Хвозд = 0,622* φ* Рнас/(В - φ* Рнас) = 0,622*0,75*1227,97/(98000-0,75*1227,97) = 0,0059 кг/кг.
29. Определим, какое количество водяного пара (м3/100м3) поступает с воздухом в процесс горения:
VH2Oвозд = х* V *22,4/МН2О,
где 22,4 – мольный объём при нормальных условиях, м3/кмоль;
МН2О – молекулярная масса воды, кг/кмоль.
VH2Oвозд = 0,0059*152,55*22,4/18 = 1,12 м3/100м3.
30. Определим количество состав продуктов сгорания. Для этого заполним таблицу 5 продуктов горения, м3/100м3.
31. Избыточное количество кислорода определяется по формуле:
VизбО2 = VО2 * (αmax – 1) = 32,04*(1,5 – 1) = 16,02 м3/100м3.
32. Рассчитаем энтальпию влажного отопительного газа по формуле:
Iотоп = 0,01*(IH2* H + ICH4* CH + ICO*COрсм + ICO2*COр2см + IC2H4* C H + IN2* N + IH2S* H2 Sрсм + IO2*O2р + IH2O*H2O) = 0,01*(64,48*16,4 + 82,695*6,27 + 65,105*20,63 + 86,0*13,71 + 105,305*0,17 + 65,065*32,41 + 77,04*1,29 + 65,965*0,82 + 75,09*8,31) = 70,023 кДж/м3.
Таблица 5 – Состав и количество продуктов сгорания
Компоненты смеси | Коли-чество, % | CO2 | H2 O | SО2 | N2 | O2 | S |
Н2 | 16,4 | 16,4 | |||||
СН4 | 6,27 | 6,27 | 12,54 | ||||
СО | 20,63 | 20,63 | |||||
СО2 | 13,71 | 13,71 | |||||
С2Н4 | 0,17 | 0,34 | 0,34 | ||||
N2 | 32,41 | 32,41 | |||||
N2 из воздуха | 120,51 | ||||||
H2 S | 1,29 | 1,29 | 0,645 | ||||
Н2О | 8,31 | 8,31 | |||||
Н2О из воздуха | 1,12 | ||||||
= 1 | 40,95 | 40,0 | 0,645 | 152,92 | 234,52 | ||
= 1,5 | 40,95 | 40,56 | 0,645 | 213,18 | 16,02 | 311,36 | |
Доли а1 | 0,1315 | 0,1303 | 0,0021 | 0,6848 | 0,0515 | 1,0 |
Количество продуктов сгорания Vпр.г = 3,11 м3/м3.
33. Представим схему расчёта теплового баланса коксовых печей в таблице 6.
Таблица 6 – Схема теплового баланса коксовых печей
Приходная часть | Расходная часть | ||
Статья | Обозна-чение | Статья | Обозна-чение |
Теплота сгорания отопительного газа | Q1 | Теплота нагрева кокса | Q5 |
Теплота отопительного газа | Q2 | Теплота нагрева коксового газа | Q6 |
Теплота воздуха | Q3 | Теплота нагрева паров смолы | Q7 |
Теплота угольной шихты | Q4 | Теплота нагрева паров сырого бензола | Q8 |
Теплота нагрева паров аммиака | Q9 | ||
Теплота нагрева сероводорода | Q10 | ||
Теплота нагрева паров воды | Q11 | ||
Потери тепла с продуктами горения | Q12 | ||
Потери тепла в окружающую среду | Q13 |
34. Рассчитаем теплоёмкость сухой шихты по формуле
Ссш = (1 - Асш/100)* сш + Асш/100* сз = (1-8,5/100)*1,09 + 8,5/100*0,71 = 1,06 кДж/(кг*К)