Thiết kế lò nung liên tục

ong công nghiệp sử dụng các l oại lò đốt bằng nhiều loại nhêin liệu truyền thống khác nhau như dầu DO, FO; than; trấu, điện phục vụ cho công đoạn gia nhiệt của các công nghệ sản xuất khác nhau như nung, sấy, hấp các sản phẩm và bán sản phẩm. Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong lĩnh vực này rất lớn, do vậy việc chuyển đổi nhiên liệu truyền thống sang nhiên liệu khí có ý nghĩa to lớn. Quan những tài liệu và thực tế đã phân tích, so sánh, đánh giá về tương quan giá thành trên đơn vị nhiệt trị và hiệu suất đốt cháy giữa các loại nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu khí thiên nhiên cho thấy nếu xét về phương diện chi phí, thì việc chuyển đổi nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên sẽ tiết kiệm được đáng kể chi phí cho nhiên liệu tính trên đầu sản phẩm. Khí đốt có thể cung cấp một lượng nhiệt cao một cách nhanh chóng và cũng hạ nhiệt nhanh khi sử dụng. Đây là ưu điểm lớn của khí trong quá trình nung, đun, nấu. Khí thiên nhiên là loại nhiên liệu sạch, hiệu suất cháy cao, không sinh khói và tạo muội khi cháy do vậy giảm được ô nhiễm môi trường. Mặc khác, nếu xét về hiệu quả đầu tư cho thiết bị chuyển đổi theo các phương án khả thi thì không phải bao giờ cũng đem lại hiệu quả kinh tế. Trong trường hợp việc đầu tư cho thiết bị chuyển đổi lớn mà không tận dụng được thiết bị tiêu thụ truyền thống, thì mặc dù có giảm bớt được chi phí cho nhiên liệu, thời gian hồi vốn đầu tư cũng rất dài và hiệu quả kinh tế sẽ thấp. Như vậy, đối với các lò gia nhiệt trong công nghiệp, để có thể áp dụng công nghệ chuyển đổi nhiên liệu truyền thống sang sửdụng nhiên liệu khí có hiệu quả kinh tế, thì trong mỗi trường hợp cụ thể phải giải quyết được vấn đề tìm phương án công nghệ khả thi, đồng thời với tính toán hiệu quả đầu tư cho thiết bị chuyển đổi. Bảng 1.1. So sánh nhiệt trị của các nhiên liệu: Nguồn năng lượng Nhiệt trị (kCal/kg) Điện 860 Củi 2662 Than củi 6582 Than đá 7880 Dầu FO 10320 Dầu DO 10180 Dầu thô 10175 Dầu lửa 11000 Nhiệt liệu phản lực 11400 Xăng động cơ 10450 Khí hoá lỏng 11920 Khí thiên nhiên 12400 1.2. Tính toán sự cháy của nhiên liệu - Nhiên liệu khí thiên nhiên từ mỏ khí Nam Côn Sơn - Thành phần của khí - Nhiệt độ không khí: t kk = = 3000C - Nhiệt độ: tk = 200C Bảng 1.2. Thành phần khí thiên nhiên N2 CO2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 0,34 1,88 89,42 4,26 2,38 1,12 1.2.1. Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu Qt = 359,6 CH4 + 636 C2H6 + 913 C3H8 + 1185 C4H10 = 395,6 x 90,51 + 636 x 4,26 + 913 x 2,83 + 1185 x 0,27 = 37749,6 kJ/m3. 1.2.2. Chọn hệ số tiêu hao không khí Hệ số tiêu hao không khí được chọn phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng và thiết bị đốt. ở đây dùng mỏ đốt lồng ống có dòng xoáy, nhiên liệu là khí thiên nhiên. Do vậy chọn hệ số tiêu không khí: n = 1,1. 1.2.3. Tính lượng tiêu hao không khí = = 9,822m3/m3 - Vì không khí ẩm nên. La0= Lk0 (1+ 0,00124.f) m3/m3 Trong đó: f – lượng ẩm trong 1m3 không khí khô, g/m3kk. Với không khí có tkk = 200C ; j = 80%. Nên f = 11,7 g/kgkk = 11,7.rkk = 11,7.1,2 = 14g/m3k (đồ thị I – d). Vậy La0 = 9,822. (1 + 0,00124.14) = 9,993 m3/m3 Với hệ số không khí n = 1,1 thì lượng không khí thực: Ln= n.L0a = 1,1. 9,993 = 10,992 m3/m3 1.3. Tính sản phẩm cháy của nhiên liệu Sản phẩm cháy bao gồm CO2, N2, O2, H2O. Thể tích các sản phẩm cháy được tính như sau: VCO2=0,01. (CO2 + CH4 + 2.C2 H6 + 3.C3H8 + 4.C4H10) = 0,01 (1,88 + 89,42 + 2.4,26 + 3. 2,38 + 4.1,12) = 1,05 m3/m3 VH2O= 0,01(2.CH4 + 3.C2H6 + 4.C3H8 + 5.C4H10 + 0,124 .f.Ln + 0,124 .f1) = 0,01(2.89,42 + 3.4,26 + 4.2,38 + 5.1,12 + 0,124.14.11,33) = 2,088 m3/m3. VN2 = 0,01.N2 + (1-kO2).Ln= 0,01.0,34 + (1- 0,21) . 10,992= 8,687m3/m3 VO2 = kO2 =(n-1) La0 = 0,21 .(1,1 – 1) .9,993 = 0,21 m3/m3. - Thể tích toàn phần VN = VCO2 + CH2O + VO2 + VN2 = 1,05 + 2,088 + 0,21 + 8,687 = 12,035 m3/m3. - Thành phần % %CO2 = %H2O = % O2 = %N2 = - Khối lượng riêng của sản phẩm cháy r0= = Bảng 1.3. Cân bằng khối lượng Chất tham gia cháy, kg Chất tạo thành, kg Công thức tính Kết quả Công thức tính Kết quả Nhiên liệu CO2 = 1,88 .44 : 22,4 3,69 CO2 = 107,4.44:22,4 210,96 N2 = 0,34.28:22,4 0,43 H2O = 204,04 .18:22,4 163,96 CH4 = 89,42.16:22,4 63,87 N2 =796,136.28:22,4 995,17 C2H6 = 4,26.30:22,4 5,71 O2 = 20,986.32:22,4 29,98 C3H8 = 2,38.44:22,4 4,68 C4H10 =1,12.58:22,4 29 Không khí O2 = 209,42.32:22,4 299,2 N2= 795,796 .28:22,4 994,745 ồ2 = 1370,83 ồ1=1370,1 Đánh giá sai số: d% = - Nhiệt độ cháy calo: tcalo0C Nhiệt độ cháy calo là nhiệt độ của sản phẩm cahý có được khi giả thiết rằng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra được cung cấp toàn bộ cho sản phẩm cháy (không có tổn thất nhiệt). tcalo = 0C Trong đó : iồ - entanpy tổgn cộng của sản phẩm cháy, kJ/m3 tcalo – nhiệt độ cháy calo của nhiên liệu i,,i2 – en tanpy của sản phẩm cháy ứng với nhiệt độ t1,t2, kJ/m3 iồ = Vì nhiên liệu không nung trước, không khí được nung đến nhiệt độ 3000C nên ta có : iồ = Trong đó : ikk: Entanpi của không khí ở nhiệt độ 3000C, ikk = 397,3kJ/m3 Vn – thể tích sản phẩm cháy tạo ra khi đốt 1m3 khí, m3/m3. Vn = 12,035 m3/m3. Vậy: iồ = - Tính i1, i2: Giả thiết nhiệt độ cháy calo của nhiên liệu nằm trong khoảng 2100 < tcalo < 2200 nghĩa là i1 < iồ < i2 Từ nhiệt độ giả thiết trên ta có: i2100 = 0,01 (CO2 .iCO2 + H2O.iH2O + N2 .iN2 + O2.iO2) = 0,01 (8,72.51868 + 17,9.4121,8 + 71,65.3032 + 1,73.3314,9) =3351,52 kJ/m3< tồ= 3380kJ/m3 Giả thiết t2 = 22000C: i2200 = 0,01 (8,72 .5464,2 + 17,9.4358,8 + 71,65.3195,8 + 1,73.4387,4) = 3694,05 kJ/m3> tồ= 3380kJ/m3 Như vậy thoả mãn i1 < iồ < i2 - Tính tcalo tcalo = = 21080C - Chọn hệ số nhiệt độ theo bảng 14[1], với lò nung liên tục h = 0,7 Vậy nhiệt độ cháy thực tế ttt=h.tcalo = 0,67.2108 ằ 14000C. Chương 2. Chọn chế độ nung và tính thời gian nung kim loại 2.1. Phương pháp nung và chọn giản đồ nhiệt độ nung - Năng suất lò 50tấn/h - Kích thước phôi 0,11 x 0,6 x 2,2 m3 - Nhiệt độ vật nung: 1250 0C - Thành phần thép nung C = 0,06%. Si= = 0,01 %, Mn = 0,38% - Phôi được nung 2 mặt và được xếp 2 hàng - Phôi vào lò có nhiệt độ tmd= ttd = 200C - Giản đồ nhiệt độ nung: Chọn chế độ nung 3 vùng: vùng sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt. 2.1.1. Giai đoạn sấy - ở vùng sấy để tránh ứng suất nhiệt, người ta phải nung phôi chậm. - Nhiệt độ lò ở đầu giai đoạn sấy tk1= 7000C - Nhiệt độ lò ở cuối gian đoạn sấy tk2= 14000C - Nhiệt độ bề mặt tâm phối khi vào lò ttd = tmd = 200C - Nhiệt độ bề mặt tâm phối khi vào lò tm2 = 5500C Giản đồ nhệit độ nung được trình bày ở hình 2.1 Thời gian (h) Vùng đồng nhiệt Nhiệt độ 0 C Vùng sấy Vùng nung Hình 2.1. Giản đồ nhiệt độ nung 2.1.2. Giai đoạn nung - Nhiệt độ lò: t2k = t3k = 14000C - ở vùng nung, phôi được nung tới nhiệt độ yêu cầu t3m = 12500C. 2.1.3. Giai đoạn đồng nhiệt - Tại vùng đồng nhiệt, nhiệt độ bề mặt phôi không tăng, nhiệt độ tâm phôi tăng dần tới khi D t = t4m – t4t < [Dtcho phép] - Nhiệt độ lò ở đầu giai đoạn đồng nhiệt t3k = 14000C - Nhiệt độ lò ở cuối giai đoạn đồng nhiệt t4k = 13000C - Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn đồng nhiệt t4k = 12500C - Nhiệt độ bề mặt phôi ở cuối giai đoạn đồng nhiệt t4t – t4t < [Dtcho phép],0C [Dtcho phép] : là độ chênh nhiệt độ cho phép giữa bề mfặt và tâm phôi trước khi ra lò : [Dtcho phép] = St [Dt/1dm]. St : Chiều dày thấm nhiệt, m St = S.m,m Trong đó: S: chiều dày phôi; m: hệ số không đối xứng, vì nung hai mặt nên lấy m = 0,65. St = 0,11.0,65 = 0,0715 m [Dt/1dm] = [150C/1dm] [Dtcho phép] = 0,0715.15.10 = 110 C - Nhiệt độ tâm phôi nung ở cuối giai đoạn đồng nhiệt tt4= tm4 – 9 = 1250 – 9 = 12390C 2.2. Tính thời gian nung 2.2.1. Xác định các kích thước cơ bản của nội hình lò. - Chiều rộng nội hình lò: B B = n.l + (n-1).C+2.b Trong đó: n: số dãy phôi nung, n = 2; l: chiều dày phôi nung; l = 2,2m; b: khoảng cách giữa các đầu phôi và tường lò; b = 0,25m; C: khoảng cách giữa các đầu phôi và tường lò; b = 0,25 m;C= 0,1m B = 2.2,2 + (2-1) .0,1 + 2.0,25 = 5m - Chiều cao nội hình lò ở vùng sấy. + Chiều cao có hiệu ở vùng sấy Hsch Hsch= tktb ( A+0,05.B).10-3 ,m Trong đó: tktb – nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng sấy tktb = A – hệ số thực nghiệm: với tktb = 10500C đ A = 0,58 [1] Vậy H+sch = 1050 .(0,58 + 0,05.5).10-3 = 0,87m - Chiều cao thực tế của vùng sấy Hstt Hs tt = n.Hsch +S = 2.0,87 + 0,11 = 1,85m - Chiều cao nội hình lò ở vùng nung + Chiều cao có hiệu ở vùng nung Hnch=(0,4á 0,6)B, lấy Hnch = 0,4.B = 0,4.5 = 2m + Chiều cao thực tế Hntt = = n.Hnch +S = 2.2 + 0,11 = 4,11m - Chiều cao nội hình lò ở vùng đồng nhiệt + Chiều cao có hiệu Hdnch Hdnch = t ktb (A + 0,05.B).10-3 t ktb: nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong vùng đồng nhiệt, 0C t ktbc = A: Chọn theo bảng 28 [1] với t ktb = 13500C nên A = 0,62 Hdnch = 1350 (0,62 + 0,05.5).10-3 = 1,17m + Chiều cao thực tế Hdntt = Hdnch +S = 1,17 + 0,11 = 1,28m 2.2.2. Tính thời gian sấy - Nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung trong vùng sấy tmtb = tm1 + = 20 + - Xác định độ đen của sản phẩm cháy trong vùng sấy eK = eCO2 + b .eH2O [1] Độ đen của chất khí phụ thuộc vào áp suất riêng phần của chất khí bức xạ, nhiệt độ khí và chiếu dày bức xạ có hiệu quả của sản phẩm cháy. eCO2 = f(PCO2, tk, Shq); eH2O = (PH2O,tk, Shq) + áp suất riêng phần Từ thành phần khí lò đã biết: CO2 = 9,08%; H2O = 17,02% và áp suất riêng phần tỷ kệ với thành phần thể tích các chất khí nên PCO2 = 0,0908 at PH2O = 0,1702 at + Chiều dày bức xạ hiệu quả của lớp khí xác định theo công thức Shq = h. + Tích số M MCO2 = Shq. PCO2 = 1,33.0,0908 = 0,12at.m MH2O = Shq. PH2O = 1,33.0,1702 = 0,22 at.m Từ tktb = 1050 [0C] và MH2O, MCO2 tra đồ thị hình 24,25,25 [1] tìm được eCO2= 0,17; eH2O = 0,11; b = 1,08 Vậy độ đen của sản phẩm cháy eK = 0,11 + 1,08 . 0,17 = 0,294 - Tính hệ số bức xạ quy dẫn Cqd + Độ phát triển của tường lò w = + Hệ số bức xạ quy dẫn Cqd = 5,67. ekl = 5,67.0,8 = 2,82 W/m2/K2 - Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aồ + Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ abx abx = Trong đó : tk: nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy ở vùng sấy ; tk = tktb = 10500C, Tk= 1050 + 273 = 1323 K. tkl: nhiệt độ trung bình của bề mặt phôi ở vùng sấy tkl = tmtb= 3730C, Tkl = 373 + 273 = 646 K. Do đó: abx = 2,82. + Hệ số trao đổi đối lưu Với nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy là 10500C, ngoài trao đổi nhiệt bằng bức xạ thì còn có trao đổi nhiệt bằng đối lưu chiếm khoảng 10% lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ, tức là adl = 10%.abx = 0,1.122,6 = 12,26 W/m2K. - Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aồ = adl + abx = 1,1abx = 1,1.122,6 = 134,9 W/m2K. - Tính nhiệt độ tâm phôi cuối giai đoạn sấy + Hệ số dẫn nhiệt (tính sơ bộ) Hệ số dẫn nhiệt của thép ở 00C, theo công thức l0 = 69,8 – 10,12.C – 16,75 .Mn – 33,72.Si, [1] = 69,8 – 10.12.0,06 – 16,75.0,38 - 33,72.0,01 = 62,49 W/mK. Hệ số dẫn nhiệt của thép phụ thuộc nhiệt độ được trình bày trong bảng 2.1. và đồ thị hình 2.2. Hình 2.2 Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt l vào nhiệt độ Bảng 2.1. Các giá trị của hệ số dẫn nhiệt Nhiệt độ 0C Công thức tính Giá trị lt W/mk 200 0,95.l0 59,37 400 0,85.l0 53,12 600 0,75.l0 46,47 800 0,68.l0 42,49 1000 0,68.l0 42,49 1200 0,73.l0 45,62 Hệ số dẫn nhiệt : Do chưa biết nhiệt độ tâm phôi thép, nên tính sơ bộ lsb = Trong đó l20 = l0 - = 62,49 - = 62,18 W/mK. l550 = l400 - = 53,12 - = 48,13 W/mKđ lSb=W/mK - Tiêu chuẩn Bi sơ bộ Bisb = - Nhiệt độ bề mặt không thứ nguyên qm = Từ Bisb và qm tra đồ thị hình 28 [1] tìm được nhiệt độ tâm không thứ nguyên qt= 0,52. Vậy nhiệt độ tâm ở cuối giai đoạn sấy (tính sơ bộ) là : tt2 = tktb - qt (tktb – ttd) = 1025 – 0,52 .(1050 – 20) = 5140C - Hệ số dẫn nhiệt của thép ( tính chính xác) lcx = = - Tiêu chuẩn Bi (chính xác). Bi cx = Vì Bicx ằ Bisb do vậy qt = 0,52 đ Focx = 4,2 Vậy nhiệt độ tâm cuối giai đoạn sấy: tt2 = 514 0C - Nhiệt độ trung bình của phôi ở cuối giai đoạn sấy : - Hệ số dẫn nhiệt độ a, m2/h Nhiệt dung riêng Cp = Trong đó : ic , id : lần lượt là entanpi của kim loại ứng với nhiệt độ tctb = 5260C, tdtb = 200C Theo bảng 37 [1] ta có i526 = 284,14 kJ/kg i20 = 9,3 kJ/kg đ Cp = Vậy hệ số dẫn nhiệt độ a = 3,6 - Tính thời gian sấy ts ts = 2.2.3. Tính thời gian nung tn Nhiệt độ trung bình vật nung ở vùng nung tmtb - Xác định độ đen của sản phẩm cháy ở vùng nung : ek + Chiều dày bức xạ hiệu quả của sản phẩm cháy ở vùng nung Shq = h. + Tích số M MCO2 = Shq .PCO2 = 2,57.0,0908 = 0,23 atm ; MH2O = Shq .PH2O = 2,57.0,702 = 0,44 atm ; Từ tktp = 13250C và MCO2, MH2O, tra đồ thị 25,24,26 [1] ta được eH2O = 0,18 ; eCO2 = 0,11 ; b = 1,08 Vậy độ đen sản phẩm cháy : bek = 0,11 + 1,08.0,18 = 0,304 - Tính hệ số bức xạ quy dẫn Cqd, W/m2K4 + Độ đen sản phẩm cháy : ek = 0,304 + Độ đen kim loại : ekl = 0,8 + Độ phát triển của tường lò: w = + Hệ số bức xạ quy dẫn : Cqd = 5,67.ekl. = 5,67.0,8 - Hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aồ aồ = adl + abx + Tra hệ số trao đổi nhiệt bức xạ : abx = Trong đó : tk = tktb = 13250C, Tk= tk + 273 = 1350 + 273 = 1623K tkl = tmtb= 10170C, đTkl = tkl + 273 =1290 K. đ abx = 3,1. + Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Cũng tương tự ở vùng sấy adl = 0,1. abx = 0,1.428,9 = 42,89 W/m2K. + Hệ số trao nhiệt tổng cộng : aồ = 1,1 .abx = 1,1 .428,9 ằ 471,8 W/m2K. - Tính nhiệt độ của phôi nung ở cuối giai đoạn nung + Tiêu chuẩn Bi (tính sơ bộ) Hệ số dẫn nhiệt tính sơ bộ lsb = = = 47,85 W/mK. Vậy Bisb = + Nhiệt độ bề mặt không thứ nguyên qm qm = Từ Bisb và qm tra được Fosb = 3,7 Từ Bisb và Fosb tra được qt= 0,14. đ Nhiệt độ tâm phôi tt3 = tktb - qt (tktb – tt2) = 1350-0,11(1350-502)=12310C - Tính thời gian nung : lcx = = - Tiêu chuẩn Bi (chính xác). Bi cx = Vì Bicx = Bisb do vậy tt3 = 1231 0C - Nhiệt độ trung bình của phôi ở cuối vùng nung - Hệ số dẫn nhiệt độ a, m2/h Nhiệt dung riêng Cp = Trong đó : ic , id : lần lượt là entanpi của kim loại ứng với nhiệt độ tctb =tkltb = 12370C, tdtb = 5260C Tra bảng 3.7[1] đ ic = 863,7 kJ/kg; id = 284,1kJ/kg đCp = Vậy hệ số dẫn nhiệt độ: a= + Vậy thời gian nung: tn = 2.2.4. Tính thời gian đồng nhiệt tđn - Mức độ đồng nhiệt: d = Trong đó: t3m = 12500C t4m = 12500C t3t = 12310C t4t = 12390C đ d = Từ Từ d = 0,58 theo đồ thị hình 33 [1] tra được tiêu chuẩn F0 = 0,28 - Tính thời gian đồng nhiệt + Nhiệt độ trung bình của phôi Trong đó: tdtb: nhiệt độ trung bình của phôi thép ở đầu vùng đồng nhiệt: tdtb = 12390C tctb : nhiệt độ trung bình của phôi thép ở cuối vùng đồng nhiệt đ + Hệ số dẫn nhiệt trung bình ltb = = 45,62 W/mK + Hệ số dẫn nhiệt độ : a Nhiệt dung riêng trung bình của phôi ở vùng đồng nhiệt Cp = đ a = + Thời gian đồng nhiệt. tđn= 2.2.5. Tổng thời gian nung phôi tồ Tổng thời gian nung phôi trong lò tồ = ts +tn + tdn = 0,455+0,706+0,112 = 1,273 h. 2.3. Xác định chiều dài lò 2.3.1. Chiều vùng sấy Ls - Chiều dài hữu ích của vùng sấy Lhs = Trong đó: b: chiều rộng của phôi b = 0,6m; P: năng suất lò P = 50tấn/h = 50000 kg/h n: Số dãy phôi n = 2; g: khối lượng 1 phôi g = V.r = a.b.l. r = 0,11.0,6.2,2.7800 = 1132,6 kg. ts = 0,455 h; đ Lhs = Lkk: khoảng cách từ tâm kênh khói đến bề mặt trong của tường lò (phía vào phôi). Lkk = 0,47 m; đ Lts = 6,23 + 0,47 = 6,5m, 2.3.2. Chiều dài vùng nung Ln ở vùng nung, chiều dài thực tế bằng chiều dài hữu ích. Ln = ; lấy chiều dài thựcLn= 10,086m 2.3.3. Chiều dài vùng đồng nhiệt Lđn Chiều dài hữu ích: Lấy chiều dài thực Lđn =1,6m 2.3.4. Chiều dài thực tế của lò Lt Lt = Ls + Lđn +Ln=6,5+ 10,086+ 1,6= 18,186(m) Các kết quả tính được trình bày trong bảng 2.2. Bảng 2.2. Các thông số cơ bản của lò (kích thước nội hình) Các vùng làm việc Chiều dài mm Chiều rộng mm Chiều cao mm Thời gian nung h Vùng sấy 6500 5000 1850 0,455 Vùng nung 10086 5000 4110 0,706 Vùng đồng nhiệt 1600 5000 1260 0,112 ồ 18186 - 1,273 Chương 3. Chọn thể xây và tính cân bằng nhiệt 3.1.Cấu trúc lò 3.1.1.Kích thước nội hình lò Các kích thước nội hình lò đã được tính ở chương 2 và được trình bày trong bảng 3.1. và hình 3.1. Hình 3.1. Các kích thước nội hình lò 3.1.2. Chọn vật liệu và kích thước thể xây. a. Chọn vật liệu xây lò. Khi chọn vật liệu xây lò phải căn cứ vào nhiệm vụ của lò, đặc điểm làm vịêc của lò (chế độ làm việc ổn định), nhiệt độ làm việc và tính chất của môi trường lò. Nếu thể xây phải tiếp xúc với môi trường axit thì gạch xây phải dùng gạch axit (đinat), khi tiếp xúc với môi trường bazơ thì dùng gạch manhêhít, đôlômit, crômanhêhit. Nếu môi trung tính thì dùng gạch sa mốt. Ngoài đặc tính chịu tải và khỏi chịu tác dụng của môi trường, khi chọn vật liệu phải đảm bảo nhiệt độ chịu nóng của vật liệu được chọn lớn hơn nhiệt độ của lò [tvật liệu] > tlò. Đây là lò nung liên tục, có chế độ nhiệt và chế độ nhiệt độ ổn định, nên ta chọn vật liệu đảm bảo các yêu cầu trên và được trình bày trong bảng 3.2. b. Chọn kích thước thể xây. Kích thước thể xây tường lò, nóc lò, đáy lò được trình bày ở bảng 3.2. (kích thước ở trong bảng đã tính cả mạch vừa). Lớp chịu nóng Lớp cách nhiệt Vỏ lò chiều dày mm Chiều dày chung ồd mm Vật liệu Chiều dày mm Vật liệu Chiều dày mm Tường lò Manhêdit 232 Samôt C Điatômit 116 116 5 469 Nóc lò Manhêdit 232 Điatômit 116 - 348 Đáy lò Vùng sấy Manhêdit Samốt A Samôt C 116 116 67 Điatômit Gạch đỏ 67 232 - 598 Vùng nung Manhêdit Samốt A Samôt C 116 116 67 Điatômit Gạch đỏ 67 232 - 598 Vùng đồng nhiệt Manhêdit Samốt A Samôt C 116 116 67 Điatômit Gạch đỏ 67 232 - 598 Lò nung liên tục có chế độ nhiệt và chế độ nhiệt ổn định, vì vậy không có tổn thất nhiệt tích nhiệt cho tường (trừ khi khai lò hoặc khi đưa lò hoạt động trở lại sau khi dừng lò để tu sửa, bảo dưỡng lò). - Kích thước ngoài hình lò Trên cơ sở kích thước nội hình lò, kích thước thể xây, ta xác định được kích thước ngoại hình lò. Công thức tổng quát: Xngoại = Xnội hình  + ồdi Trong đó: Xngoại – kích thước ngoại hình lò Xdi – Tổng chiều dày các lớp thể xây Xnội hình - chiều cao, chiều dài, chiều rộng của lò Kích ngoại hình lò được trình bày trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Các kích thước ngoại hình lò Vùng sấy mm Vùng nung mm Vùng đồng nhiệt mm Chiều cao 2756 5096 2206 Chiều dài 6996 10086 2069 Chiều rộng 5938 5938 5938 c. Cấu trúc tổng thể của lò Trên cơ sở kích thước nội hình, kích thước ngoại hình và kích thước thể xây, ta có thể có được cấu trúc lò. Cấu trúc cơ bản lò được trình bày ở hình 3.2. Hình 3.2. Ba mặt cắt chính của lò 3.2. Tính cân bằng nhiệt Mục đích tính cân bằng nhiệt là xác định lượng tiêu hao khí trong một giờ và hiệu quả sử dụng nhiệt trong lò 3.2.1. Các khoản nhiệt thu a. Nhiệt lượng do đốt cháy khí Qc= 0,28.B.Qt [1] Trong đó: B: Lượng tiêu hao khí m3/h Qt: Nhiệt trị thấp của khí; Qt = 37749,6 kJ/m3; 0,25: hệ số chuyển đổi đơn vị Qc = 0,28.B.37749,6 = 10569,9 .B, W b. Nhiệt lượng do không khí nóng mang vào Qkk = 0,28. ikk.Cn .f.B = 0,28.397,3 .10,992.B = 1222,8.B, W c. Nhiệt lượng do không khí thiên nhiên Qk = 0 (không nung trước khí) d. Nhiệt lượng do phản ứng toả nhiệt Trong các lò nung kim loại nhiệt này chủ yếu sinh ra do kim loại bị oxy hoá Qtoả = 0,28.a.r.P, W [1] Trong đó: a: tỉ lệ kim loại bị oxy khi nung trong lò, chọn a= 0,003; q: Lượng nhiệt toả ra khi 1 kg kim loaik bị oxy hoá; q = 5650 kJ/kg. P: Năng suất của lò; P = 50000kg/h Qtoả = 0,28.0,003.5650.50000= 237300 W 3.2.2. Các khoản nhiệt chi a. Nhiệt lượng dùng để nung kim loại - Để nung kim loại tới nhiệt độ yêu cầu cần lượng nhiệt: Q1 = 0,28.P(ic-iđ), W + Trong đó: ic, iđ: Entanpi của thép ứng với nhiệt độ trung bình lúc vào lò và lúc ra lò. iđ= i20 = 9,3 kJ/kg; ic = i1242 = 864,8 kJ/kg, [1] Q1 = 0,28.50000.(864,8 – 9,3) = 11977000s W b. Nhiệt lượng nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học - Vì nhiên liệu cháy không hoàn toàn về hoá học nên trong sản phẩm cháy còn một lượng CO, H2 chưa cháy hết. Do vậy có tổn thất: Q2 = 0,28.p.g.B.Vn Trong đó: p: là tỉ lệ khí CO và H2 có trong sản phẩm cháy, giá trị này phụ thuộc thiết bị đốt. Với mỏ lồng ống có dòng xoáy thì p = 0,005; g: nhiệt trị trung bình của các khí CO và H2; g = 12150 kJ/m3; Vn: Lượng sản phẩm cháy khi đốt 1m3 khí, Vn = 12,035 m3/m3 Q2= 0,28.0,005.12150.B.12,035 = 240,715.B, W c. Nhiệt lượng tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học Lượng nhiệt xác định theo công thức Q3= 0,28.K.Qt.B, W Trong đó: Qt = 37749,6 kJ/kg. K: hệ số mất mát do cháy không hoàn toàn cơ học, với nhiên liệu khí K = 0,01 Q3 = 0,28.0,01 .377459,6.B = 105,699.B, W d. Nhiệt lượng tổn thất qua các thể xây lò Q4 - Tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò Lò gồm 3 vùng: vùng sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt . Lượng nhiệt mất do dẫn nhiệt qua tường lò của mỗi vùng đều được tính theo công thức: Q = Trong đó : tw1 : Nhiệt độ bề mặt trong tường lò 0C. Giá trị này thường nhỏ hơn giá trị nhiệt độ sản phẩm cháy tktb từ (50 á1000C) ở đây lấy tw1 = tktb – 1000C. Giá trị tw1 tương ứng với mỗi vùng có tsw1 (vùng sấy), tnw1 (vùng nung), tdnw1 (vùng đồng nhiệt) được trình bày trong bảng 3.4. tw2 : Nhiệt độ mặt ngoài tường lò, 0C. Giá trị tw2 (ứng với mỗi vùng với tsw2, tnw2, tdnw2) được tính chính xác bằng phương pháp lặp ( bằng phần mềm tin học ở phụ lục). li : Hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, W/mK Theo phụ lục IX[2] ta có : l1= lmanhêdit = 6,28 – 0,0027.ttb1, W/mK ; l2= lsamôt = 0,8 +0,00064.ttb2, W/mK ; l3= lđiatomit = 0,14 + 0,0003.ttb3, W/mK ; l4 = lkim loại. Vì hệ số dẫn nhiệt của thép khá lớn 45 W/mK và chiều dày bé 5 mm nên bỏ qua nhiệt trở của thép. Vì vậy nhiệt độ bề mặt ngoài của tường lò chính là nhiệt độ bề mặt ngoài của lớp điatomít. Nhiệt độ trung bình của các lớp của tường lò 3 lớp được tính như sau ttb2 = Trong đó : ttb1 : Nhiệt độ trung bình của lớp trong ttb2 : Nhiệt độ trung bình của lớp giữa ttb3 : Nhiệt độ trung bình của lớp ngoài tkk – nhiệt độ không khí bao quanh lò, giá trị này được chọn cho cả mùa hè và mùa đông: tkk = 200C, giá trị tw2 chưa biết ( dùng phần mềm tính lặp được tw2). Qtường tính theo công thức: Qtường = a.(tw2 – tkk). F tường Ftường diện tích bề mặt phía ngoài của tường tiếp xúc với không khí được tính cho từng vùng: vùng sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt. Ftường= Hngoài. Lngoài, m2 a: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu từ bề mặt ngoài tường lò tới môi trường tính cho vỏ thép: a = 7,9 + 0,053.tw2, W/m2K [3] Bảng 3.4. Các thông số và kết quả tính toán dẫn nhiệt qua tường lò Những thông số cơ bản Giá trị các thông số ở các vùng lò Vùng sấy Vùng nung Vùng đồng nhiệt tkk, 0C 20 20 20 tktb, 0C 1025 1350 1325 tw1, 0C 925 1250 1225 tw2, 0C 121,7 155,8 153,3 l1, W/mK 4,3247 3,6436 3,6959 l2, W/mK 1,1349 1,2499 1,2410 l3, W/mK 0,2368 0,2688 0,2664 d1, mm 0,232 0,232 0,232 d2, mm 0,116 0,116 0,116 d3, mm 0,116 0,116 0,116 a, W/m2K 12,233 13,7 13,59 q, W/m2 1243,0 1860,8 1811,1 Ftường, m2 46,8 113,8 12,2 Qtường, W 58200 211759 22095 ồQtường = 292054 W - Tổn thất nhiệt qua nóc lò tại các vùng (Qsấy, Qnung, Qđồng nhiệt) Tổn thất nhiệt qua nóc lò cũng được tính cho từng vùng: Vùng sấy (Qsấy), vùng nung (Qnung), vùng đồng nhiệt (Qđồng nhiệt). Nóc lò là nóc phẳng (nóc treo) nên quá trình tính toán tổn thất cũng tương tự như đối với tường lò. Q = Q = a (tw – tkk). Fnóc, W Trong đó: Fnóc = Lngoài. Bngoài, m2 Diện tích ngoài của nóc lò được tính cho từng vùng: vùng sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt. a: Hệ số toả nhiệt đối lưu từ nóc lò tới môi trường xung quanh, W,m2K (tính cho bề mặt gạch). a = 7,9 + 0,053 .tw2, W/m2K; l1 = lmanhêdit = 6,28 – 0,0027. ttb1 , W/mK l2 = lđiatomit = 0,14 + 0,0003. ttb2 , W/mK Các kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.5. Đáy lò được xây trực tiếp trên nền móng, vì vậy khó xác định chính xác nhiệt độ đáy lò. Trong khi tính toán, ta thường xác định lượng nhiệt tổn thất qua đáy lò theo những số liệu thực nghiệm. Qđáy = 0,15.Qtường = 0,15.292054 = 43808 W. Vậy lượng nhiệt tổn thất Q4 = Q tường + Qnóc + Qđáy = 292054 + 276512 + 43808 = 612374 W Bảng 3.5. Kết quả tính tổn thất nhiệt qua nóc lò Các thông số cơ bản Giá trị các thông số ở mỗi vùng lò Vùng sấy Vùng nung Vùng đồng nhiệt tkk, [ 0C] 20 20 20 tktb,[ 0C] 1025 1350 1325 tw1, [0C] 925 1200 1225 tw2,[ 0C] 122,6 156,4 153,9 l1, [W/mK] 4,3241 3,6432 3,6955 l2, [W/mK] 0,237 0,2689 0,2 d1, [m] 0,232 0,232 0,232 d2, [m] 0,116 0,116 0,116 a, [W/m2K] 14,398 16,192 16,058 q, [W/m2] 1477,2 2209,3 2150,6 Fnóc,[ m2 ] 48,7 66,8 26,5 Qnóc , [W ] 71940 147581 56991 ồQnóc , [W ] 276512 e. Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ qua cửa lò khi mở Q5 Khi lò làm việc các cửa có thể mở một phần hoặc mở hoàn toàn để vào liệu, ra liệu. Do đó tổn thất nhiệt do bức xạ khi mở cửa Q5 = C0 . Trong đó: C0 = 5,67 W/m2K Tk: nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy ở vùng có cửa, K F: diện tích phần mở cửa, m2 F: hệ số chẵn, xác định theo chiều dày tường và kích thước mở cửa. Với cửa vào phôi F = 0,64, cửa ra phôi: Y = 1 z: Số cửa cùng kích thước cùng điều kiện làm việc. + Cửa vào liệu: Chiều rộng 4,8m, chiều cao 0,44m. + Cửa ra liệu: Chiều rộng 4,8m chiều cao 0,44m. + Cửa quan sát: kích thước 345 x 465 mm Vùng sấy: 6 cửa Vùng nung: 10c ửa Vùng đồng nhiệt: 2 cửa Các cửa quan sát mở: a x b = 345 x 345 mm, do đó F = 0,43 Các kết quả tính toán được trình bày ở bảng 3.6  Bảng 3.6. Kết quả tính tổn thất nhiệt do bức xạ qua cửa Các công thức cơ bản Vùng sấy Vùng nung Vùng đồng nhiệt Cửa vào liệu Cửa quan sát Cửa quan sát Cử ra liệu Cửa quan sát tk[0C] 700 1025 1350 1325 1325 Tk[K] 973 1298 1623 1598 1598 F[m2] 0,66 0,119 0,119 0,66 0,119 F 0,64 0,43 0,64 0,64 0,43 Y 1 0,147 0,147 1 0,147 z 1 6 10 1 2 Q5i[W] 3155,1 7263,9 29593 22957,9 5562,2 ik [kJ/m3] 1025,4 1373,7 2126,6 2090,6 2090,6 r[kg/m3] 0,3465 0,2597 0,2077 0,211 0,211 Vt[m3] 1,56 0,347 0,421 2,15 0,417 V0 [m3] 1230,5 262,7 254,9 1321 256,4 Q6i [W] 51933,8 28824,9 37186 113670,8 29408,8 SQ6i [W] 26102 SQ5i [W] 68531 f. Lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy khi mở cửa Q6 Trong thực tế, khi vận hành lò có một phần sản phẩm cháy lọt ra ngoài khi mở cửa nên có tổn thất: Q6 = 0,28 .Ck.tk. V0 .Y. W Trong đó: Ck.tk= ik: entanpi của sản phẩm cháy khi mở cửa, kJ/m3; Y: Hệ số thời gian mở cửa V0: lượng sản phẩm cháy qua cửa khi mở cửa: V0 = - Với cửa vào liệu, ra liệu Vt = m.H.B Trong đó: H: chiều cao phần mở cửa Hvào = 0,3m; Hra = 0,3m. B: Chiều rộng cửa: Bvào = 4,8m; Bra = 4,8m. m = 0,62 hệ số lưu lượng rk = ; Khối lượng riêng của sản phẩm cháy tại vùng mở cửa. g: gia tốc trọng trường, g = 9,81m2/s Các kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.6. Từ bảng 3.6. Lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy qua cửa lf: Q6 = 261024 W g. Lượng nhiệt tổn thất do khói ra môi trường Q7 Sản phẩm cháy qua cống khói có nhiệt độ tương đối cao vì vậy gây ra tổn thất nhiệt. Q7 = 0,28 . Ck.tk.(b.Vn- SV0.y) Trong đó: Ck.tk= ik, entanpi của sản phẩm cháy ở vùng mở cửa kJ/m3 tk = 700 [0C]; ik = 1025,4 kJ/m3. Vn: lưu lượng sản phẩm cháy tạo ra khi đốt1m3 khí thiên Vn = 12,035 m3/m3. SV0. y : Tổng sản phẩm cháy đã lọt qua các cửa SV0. y = (12,035 + 262,7 + 254,9 + 1321+ 256,4).0,147 = 488,85 m3/h. Q7 = 0,28.1025(12,035. B – 488,85) = 3455,393.B- 140355 W h. Lượng nhiệt do nước làm mát các kết cấu lò Q8. Q8 = 0,1. SQthu = 0,1 (Qc+ Qtoả) = 0,1. (10569,9.B + 237300) = 1056,99 .B + 23730 , W. 3.2.3. Cân bằng nhiệt và lượng tiêu hao nhiên liệu khí a. Tính lượng tiêu hao nhiên liệu khí B ồQthu = SQchi (1) SQchi = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 + Q7 + Q8 = 11977000 + 204,715.B + 165,699.B + 612374 + 68531 + + 261024 + 3455,393 .B – 140355 + 1056,99.B + 23730 W SQthu = 10569,9.B + 237300 + 1222,8 .B = 11792,7.B + 237300 W Giải phương trình (1) ta được B = 2573,321 m3/h= 2573321kg/h b. Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn b = , kg nhiên liệu tiêu chuẩn, kg kim loại. Trong đó B – lượng tiêu hao nhiên liệu Qt – nhiệt trị thấp của nhiên liệu P – Sản lượng lò b = kgnltc/tấn Bảng 3.7. Bảng cân bằng nhiệt của lò TT Nhiệt thu TT Nhiệt chi Các khoản thu Giá trị [W] Tỉ lệ [%] Các khoản chi Giá trị [W] Tỉ lệ [%] 1 Nhiệt lượng do đốt cháy khí đốt 27199746 88,93 1 Nhiệt lượng dùng để nung kim loại 11977000 55,77 2 Nhiệt lượng do phản ứng toả nhiệt 237300 0,78 2 Nhiệt lượng tổn thất do cháy không hoàn toàn về hoá học 619437 1,5 3 Nhiệt lượng do không khí nóng mang vào 3146657 10,29 3 Nhiệt lượng tổn thất do cháy không cháy hoàn toàn về cơ học 271997 0,9 4 Nhiệt lượng tổn thất do dẫn nhiệt qua các thể xây lò 612374 2,5 5 Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ qua cửa lò 68531 0,25 6 Lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy qua cửa 261024 1,2 7 Lượng nhiệt tổn thất do khói thải mang đi 8751318 28,58 8 Lượng nhiệt do nước làm mát kết cấu lò 2743705 9,3 S 30583703 100 S 30614395 100 c. Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích. hnl = Trong đó Q1 – lượng nhiệt để nung kim loại, Q1 = 11977000W; Qtoả - lượng nhiệt toả do phản ứng oxy hoá, Qc – lượng nhiệt do đốt cháy khí đốt hnl = d. Hệ số sử dụng nhiệt có ích hcó ích = Trong đó: Qcấp – lượng nhiệt cấp cho lò, Qcấp = Qc + Qkk Qc – Lượng nhiệt do đốt cháy khí đốt . Qkk – lượng nhiệt do không khí nóng mang vào hcó ích = e. Hệ số sử dụng nhiệt của lò h = Trong đó: Qvào – lượng nhiệt đưa vào lò; Qvào = Qcấp=30346403W Qra ._.