Теплотехнический расчет вращающейся печи

 

 

3 РАСЧЕТЫ  МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

3.1 Расчет минералогического состава боксита

 Минералогический  состав боксита соответствии с исходными данными представлен в таблице 1.

Таблица 1- Минералогический состав боксита

№	Соединения	Al2O3	SiO2	H2O	Пр.	Всего
		кг
1	Al(OH)3	36,40	-	19,60	-	56,00
2	Al2O3 2SiO2∙ 2H2O	10,72	9,28		-	20,00
3	Al2O3	5,00	-	-	-	5,00
4	Прочие	-	-	-	19,00	19,00
5	Итого	52,12	9,28	19,60	19,00	100,00

 

3.2 Расчет минералогического состава известняка шихты

Осредненный состав известняка, используемого  в процессе спекания шихты принимается  по Багарякскому месторождению (ст.Багаряк Южно-Уральской железной дороги):

- СаО=55%;

- SiO₂=0,8%;

- прочие-44,2% .

Минералогический состав известняка представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Минералогический состав известняка

№	Соединения	СаО	СО2	SiO2	H2O	Пр.	Всего
		кг
1	СаСО3	98,91	43,21	-	-	-	142,12
2	SiO2	-	-	0,8	-	-	0,8
3	Н2О	-	-	-	1,21	-	1,21
3	Прочие	-	-	-	-	19,00	19,00

 

 

 

 

 

 

3.3 Расчет шихты

Шихта состоит из боксита, известняка, кальцинированной соды и  оборотного раствора. Расчет шихты производится по упрощенной методике на 100 кг сухого боксита. При этом состав оборотных продуктов подбирается опытным путем с учетом состава исходного сырья[1] и, для обеспечения полноты протекания кристаллохимических преобразований, при формировании шихты обеспечиваются следующие условия: СаО/SiO₂ =2,0; Na₂O/Al₂O₃=1,0.

Для рассчета количества компонентов, участвующих в процессе спекания (СaO, SiO₂, Nа₂О, Al₂O₃), суммируется содержание каждого из них во всех составляющих шихты (боксите, кальцинированной соде (Na₂CO₃), известняке и оборотном растворе). В соответствии с технологией спекания для формирования исходной шихты используется оборотный содовый раствор (белый шлам), получаемый после выщелачивания спеков, отделения красного шлама и частичного выпаривания. Состав белого шлама подбирается опытным путем и обычно колеблется около значений:

25% Al₂O₃/ 20% SiO₂/ 23% Nа₂О; 9% H₂O_связ.; 23% H₂O_вн.

Обычно  извлечение SiO₂ в белый шлам из спека составляет 10…15%. Остальные 85…90% кремнезема переходят в красный шлам при выщелачивании.

Общее количество кремнезема в твердых составляющих исходной шихты:

=9,55кг, где: 

- М_SiO2 =9,28кг – количество кремнезема в боксите (табл.1);

- М_СаСО3 = =33,1кг, где М_i и массы и молекулярные веса соответствующих компонентов шихты;

- =0,8% - содержание кремнезема в известняке (см.табл.2).

Общее количество кремнезема в белом  шламе:

1,24кг,

где 0,13 (0,1-0,15 – доля извлечения кремнезема из спека в белый шлам; остальные 85-90% кремнезема переходят в красный шлам при выщелачивании.

Количество  белого шлама, с учетом содержания в  нем 20 % SiO:

= 6,2кг.

Результаты  расчетов состава и количества белого шлама приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Состав и количество белого шлама

	Всего	Al2O3	SiO2	Nа2О	H2Oсвяз	H2Oвн
Содержание, %	100	25	20	23	9	23
Количество, кг.	6,20	1,55	1,24	1,55	0,56	1,43

 

Количество  условно свободного кремнезема в  исходной шихте, включая кремнезем в белом шламе:

10,52кг

Количество  кремнезема, связанного в составе  двухкальциевого силиката (2СаО∙SiO2) условно свободной окисью кальция (СаО):

=2,14кг.

Оставшееся  количество кремнезема, которое необходимо связать оксидом кальция:

8,38кг.

Потребное количество известняка  с учетом его минералогического состава (0,8% кремнезема и 55% СаО:

=29,23кг

Состав и  количество известняка, входящего в  шихту спекания, представлены в таблице 4.

 

Таблица 4 - Состав и количество известняка в шихте

Параметр	Всего	CaO	CO2	SiO2	H2О	Прочие
Содержание, %	100	55,00	41,89	0,8	1,21	1,1
Количество, кг.	29,23	16,88	12,24	0,23	0,35	0,116

 

Оптимальный состав оборотного раствора в кг/м3 : 12,0 Al₂O₃; 210 Na₂O; 130 CО₂; 1985 H₂O[1] (удельная плотность 1,337 г/л).

Потребное количество оборотного раствора и добавляемой в шихту свежей соды, обеспечивающего оптимальные условия спекания:

- потребное (общее) количество Na₂O для получения Na₂O∙Al₂O₃ :

=28,23кг,

где  43,15кг – количество Al₂O₃ в шихте из боксита и оборотного раствора;

- количество  несвязанного Na₂O в оборотном растворе:

=202,70кг,

где =12кг – количество связанного Na₂O;

- количество  Na₂O, поступающего с оборотным раствором на формирование шихты:

24,00кг,

где К_и =0,85 – степень извлечения Na₂O в раствор в процентах от общего суммарного извлечения Na₂O при выщелачивании, обескремнивании и карбонизации[1];

- количество оборотного раствора с учетом концентрации в нем Na₂O 210кг/м3:

=0,114м3 (114,00л);

- масса раствора:

153,00кг;

- количество метаалюмината натрия:

1,117кг;

- количество свободной Na₂O, подаваемой с оборотным раствором:

22,88кг.

Состав  и количество оборотного маточного  раствора представлены в

таблице 5.

 

Таблица 5 - Состав и количество оборотного раствора

Параметр	Всего	Al2O3	Na2O	CO2	H2О
Содержание, г/л	1337	12,0	210	130	985
Содержание, %	100	0,9	15,7	9,8	73,6
Количество, кг.	153,00	1,38	24,02	14,99	112,61

 

Дополнительное  свежее количество Na₂O (или Na₂CO₃), которое надо ввести в шихту для обеспечения оптимальных условий спекания:

5,35кг или:

=3,13кг.

Расчетный состав и количество соды приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 - Состав и количество кальцинированной соды

Параметр	Всего	Na2O	CO2
Содержание, %	100	58,49	41,51
Количество, кг.	3,13	1,83	1,30

 

Потребная концентрация оборотного раствора для обеспечения оптимальной влажности шихты 36%[1]:

- Общая масса шихты, состоящей из боксита с влажностью 5%, белого шлама, известняка, оборотного раствора и соды:

296,56кг,

  =0,05 – влажность природного боксита;

- количество внешней влаги в  шихте: 

119,39кг, где: 

1,427кг (табл.3);

0,350кг (табл.4);

=112,610кг (табл.5);

- количество влаги в шихте  с оптимальной концентрацией  раствора[1]:

106,76кг

- количество воды, которое должно быть в шихте, определяется из выражения:

=0,36 , для рассматриваемой задачи:

- количество воды, подлежащее  выпариванию: 

19,64кг;

- количество влаги в оборотном  растворе после выпаривания: 

=92,79кг.

Плотность оборотного раствора после  упаривания:

1,414кг/л = 1414г/л.

Состав и количество оборотного раствора представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Состав и количество оборотного раствора после выпаривания

Параметр	Всего	Al2O3	Na2O	CO2	H2О
Содержание, г/л Содержание, % Количество, кг.	1414 100 133,36	14,56 1,03 1,38	254,52 18,00 24,02	158,93 11,24 14,99	983,86 69,58 92,79

 

 

Таблица 8 - Полный состав шихты для спекания на основании проведенных расчетов

Состав	Всего			Al2O3	SiO2	Fe2O3	TiO2	CaO	CO2	Nа2О	H2Oсв	H2Oвн	Прочие
	кг	%
Боксит (вл)	105		35,49	52,12	9,28	-	-	-	-	-	5,00	19,60	19,00
Известняк	29,11		9,82	-	0,23	-	-	16,88	12,24	-	-	0,35	-
Белый шлам	6,20		2,09	1,55	1,24	-	-	-	-	1,55	0,287	0,735	-
Оборотн. раствор	153,00		51,59	1,38	-	-	-	-	14,99	24,02	-	112,61	-
Сода Кальциниp.	3,13		1,06	-	-	-	-	-	1,30	1,83	-	-	-
Итого	296,44		100	55,05	10,75	-	-	16,88	28,53	27,40	5,29	133,30	19,00

 

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ

4.1Расчет конечных продуктов

Основные допущения:

- из шихты в спек переходят все компоненты за исключением СО₂ и Н₂О, которые полностью газифицируются;.

- часть шихты, переходящая в пыль, близка по составу к исходной шихте с учетом обезвоживания последней;

- 100% пыли является оборотным  продуктом и  полностью возвращается в агрегат;

- для упрощения расчетов принимается пылеунос из рабочего пространства печи 20 % от массы сухой шихты.

- 1- Количество пыли, находящейся в обороте при непрерывном режиме работы агрегата в 1ом цикле загрузки:

35,41кг,

где 177,05кг – общее количество материалов шихты после выпаривания.

- 2 - Количество пыли во 2ом цикле  загрузки:

42,49кг.

- 3ий цикл: 43,91кг.

- 4ый цикл:44,19кг.

6%, поэтому принимается,  что в стационарных условиях  в обороте участвует примерно 44кг пыли.

Результаты расчетов состава  спека, пыли и отходящих технологических газов сведены в таблицах 9 - 11.

Расчет оптимального состава  спека:

- количество алюмината натрия(Na₂O×Al₂O₃) в спеке:

=88,51кг,

где =55,05кг – общее количество Al₃O₃ в шихте (см.табл.8);

- количество Na₂O в спеке:

=33,46кг.

Количество двукальциевого силиката ( 2СаО× SiO₂ )в спеке:

=51,85кг

где =16,88кг – общее количество СаО в шихте (см.табл.8);

- количество SiO₂ в спеке:

=34,97кг.

Результаты расчетов сведены в табл. 12.

Полный  материальный баланс процесса спекания без учета процесса горения топлива представлен в табл. 13.

Таблица 9 - Состав и количество спека

Параметр	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	Na2O	Проч.
Количество, кг Содержание, %	110,08 100	55,05 38,40	- -	10,75 9,77	- -	16,88 15,33	27,40 24,89	- -

Таблица 10 - Состав и количество пыли

Параметр	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	СО2	Na2O	Проч.
Количество спека с учетом обезвоживания	138,61	55/05	-	10,75	-	16,88	28,53	27,40	-
Количество пыли, кг	44,00	17,46	-	3,41	-	5,35	9,04	8,69	-
Содержание,%	100	39,70	-	7,77	-	12,18	20,57	19,78	-