Тепловые эквиваленты элементов и соединений

1. Тепловой эквивалент сгорающего у фурм углерода

При окислении у фурм 1 кг углерода кислородом дутья до окиси углерода по реакции

С + 0,5О₂ = СО + 117940 кДж

выделяется тепла кДж/кг С, где 12 - атомная масса углерода.

Кроме того, в печь вносится тепло с нагретым дутьем, количество которого зависит от объема дутья на единицу сгорающего углерода и температуры дутья. Часть вносимого в печь тепла в ней не используется и уносится с колошниковым газом. Это количество тепла не следует учитывать. Поэтому в общем виде тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм, можно представить в следующем виде:

q_C = + V_д ∙ (W_д – V_кг ∙ W_кг)

где V_д – расход дутья, м³/кг С; V_кг – выход колошникового газа, м³/м³ дутья; W_д, W_кг – теплосодержание горячего дутья и колошникового газа, кДж/м³

Расход дутья равен, м³/кг С:

V_д =

Выход колошниковых газов составит, м³/м³ дутья

V_кг = 1 + ω + f – ω∙f

где ω – степень обогащения дутья, м³/м³ дутья; f – влажность дутья, м³/м³ дутья.

Теплосодержание (энтальпия) горячего дутья, кДж/м³

W_д = (1 – f) ∙ W_ОN + f ∙ (W_{Н О} – )

где W_ОN, W_{Н О} – энтальпия двухатомных газов и водяного пара, кДж/м³; – расход тепла на разложение 1 м³ водяного пара по реакции

H₂O = H₂ + O₂ – 242800 кДж

Энтальпия двухатомных газов при температуре горячего дутья T_д равна, кДж/м³

W_ОN =

Энтальпия водяного пара при температуре горячего дутья T_Д равна, кДж/м³

W_{H O} =

2. Тепловой эквивалент (“теплоотдача”) углерода прямого восстановления

Для окисления углерода прямого восстановления расходуется не кислород нагретого воздуха, а кислород шихты по реакции

FeO + C = Fe + CO.

Образующаяся окись углерода в дальнейшем может участвовать в реакциях непрямого восстановления FeO + CO = Fe + CO₂ и без изменения объема уходит из печи с колошниковым газом, унося тепло в количестве 22,4∙W_КГ ккал/м³

q_С =

3. Тепловой эквивалент оксида кальция

Оксид кальция может поступать в шихту в виде известняка СаСО₃, офлюсованных агломерата и окатышей (в этом случае она находится в виде силикатов и ферритов кальция). В доменной печи идет разложение известняка:

СаСО₃ = СаО + СО₂ – 178500 кДж

на образование 1 кг извести (СаО) необходимо затратить тепла = 3192 кДж/кг СаО.

Образующаяся известь взаимодействует с кислотными оксидами и переходит в шлак. По реакции извести и кремнезема 2СаО + SiO₂ = 2CaO∙SiO₂ выделяется тепла 1260 кДж/кг СаО.

При определении теплового эквивалента оксида кальция необходимо учесть тепло, необходимое для нагрева и расплавления СаО, находящейся в шлаке, т.е. теплосодержание шлака W_ШЛ. Тогда тепловой эквивалент СаО, образовавшейся в печи при разложении сырого известняка, будет равен:

q_{СаО(СаСО )} = W_шл + 3192 – 1260 = W_шл + 1932 кДж/кг СаО

W_шл = 1774,5 + 1,68 ∙ (Т_шл – 1450),

где Т_шл – температура шлака, ºС

В офлюсованном агломерате, в котором известь находится в виде силикатов кальция, т.е. в виде “готового шлака”, то имеет место экономия тепла, так как его нужно затратить лишь для расплавления СаО.

Тепловой эквивалент извести в офлюсованном агломерате, кДж/кг СаО

q_{СаО(Са SiO )} = W_шл – (W_шл + 1932) = – 1932,0

4. Тепловой эквивалент оксида кремния

q_SiO = W_шл + b_шл∙(W_шл + 1932), кДж/кг SiO₂

где b_шл - основность шлака

5. Тепловой эквивалент оксида алюминия

q_{Al O} = W_шл – 840 + b_шл ∙ (W_шл + 3192), кДж/кг Al₂O₃

6. Тепловой эквивалент оксида магния

Подобно извести MgO может находиться в доменной шихте в виде MgCO₃, силикатов магния (Mg₂SiO₄) и свободном виде. По реакции

MgCO₃ = MgO + CO₂ + 109870 кДж.

для разложения MgCO₃ требуется = 2747 кДж/кг MgO

При ошлаковании MgO с образованием Mg₂SiO₄ выделяется 794 кДж/кг MgO, следовательно

q_{MgO(MgCO )} = W_шл + 2747 – 794 = W_шл + 1953, кДж/кг MgO.

Если MgCO₃ присутствовал в аглошихте при спекании агломерата, то в нем MgO будет в виде Mg₂SiO₄, и мы имеем экономию тепла, которое не будет израсходовано в доменной печи на разложение MgCO₃

q_{MgO(Mg SiO )} = W_шл – (W_шл + 1953) = – 1953,0 кДж/кг MgO.

Если MgO присутствует в шихте в свободном виде, то экономия в расходе тепла составит

q_MgO = (W_шл – 794) – (W_шл + 1953) = – 2747,0 кДж/кг MgO

7. Тепловой эквивалент серы

Принимаем для простоты, что сульфидная и органическая сера находятся в свободном виде. Перевод серы в шлак идет по реакции

СаО + S = CaS + 0,5O₂ – 173630 кДж

на что затрачивается тепла = 5426 кДж/кг S.

При этом следует учесть расход тепла на разложение известняка = 3192 кДж/кг СаО, необходимого для получения дополнительного СаО. Это тепло составит 3192 ∙ кДж/кг, где 56 и 32 - молекулярные массы СаО и S соответственно.

Необходимо также принять во внимание тепло, потребное для нагрева и расплавления находящегося в шлаке СаS, которое равно W_шл ∙ (здесь 72 - молекулярная масса СаS). Тогда тепловой эквивалент сульфидной и органической (свободной) серы будет равен, кДж/кг S_своб.

q_{S .} = 5426 + 3192 ∙ + W_шл ∙

В офлюсованном агломерате сера присутствует в виде СаSO₄ (сульфатная сера). Ее перевод в шлак может идти по реакции

CaSO₄ = CaS + 2O₂ – 921190 кДж

на что затрачивается тепла = 28787 кДж/кг S. Тепловой эквивалент сульфатной серы, кДж/кг S.

q_{S .} = 28787 + W_шл ∙

8. Тепловой эквивалент фосфора

Пятиокись фосфора в печи диссоциирует на элементарный фосфор и кислород, на что расходуется тепло в количестве 25066 кДж/кг Р. Прямое восстановление фосфора, протекающее по реакции

Р₂О₅ + 5С = 2Р + 5СО,

расходует углерод, который не дойдет до фурм, не сгорит, т.е. уменьшится тепло в количестве ∙ (q_C - q_C ) кДж/кг Р, где 60 и 62 - молекулярные массы соответственно 5С и 2Р, а отношение – расход углерода на реакцию восстановления фосфора, кг/кг Р.

Фосфор переходит в чугун в виде фосфида железа Fe₃P, при этом выделяется тепло в количестве 4767 кДж/кг Р. Образовавшийся фосфид железа нагревается и расплавляется за счет теплосодержания чугуна W_чуг.

Теплосодержание чугуна

W_чуг = 147 + 0,756∙Т_чуг),

где Т_чуг – температура чугуна, ºС

Тепловой эквивалент фосфора равен, кДж/кг Р

q_Р = 25066 + ∙ (q_C – q_C ) – 4767 + W_чуг

9. Тепловой эквивалент марганца

Тепловой эквивалент марганца в виде MnO равен, кДж/кг Mn_MnO

q_Mn(MnO) = (7388 + 0,218∙(q_C – q_C ) + 0,073∙q_C + 1.073∙W_чуг – 584)∙η_Mn +(1,29∙ ∙W_шл – 496)∙(1-η_Mn)

10. Тепловой эквивалент железа

Тепловой эквивалент железа в виде FeO равен, кДж/кг Fe_FeO

q_Fe(FeO) = ∙R_d + ∙(q_C – q_C )∙R_d + ∙q_C + (1 + )∙W_чуг,

где [C], [Fe] – содержание углерода, железа в чугуне, %

При восстановлении железа из оксида железа или других соединений тепловые эквиваленты железа в них равны, кДж/кг Fe_Fe2O3

q_{Fe(Fe O )} = q_Fe(FeO) + 2553,6 ∙ R_d + ∙ (q_C – q_C ) ∙ R_d

В некоторых случаях в составе доменной шихты может присутствовать металлический скрап (металлодобавка), состоящий, главным образом, из металлического железа Fe_мет, которое растворяет в себе углерод, вызывая потери тепла от недоиспользования углерода. Кроме того, тепло расходуется на нагрев и расплавление образующегося чугуна. Тепловой эквивалент железа равен, кДж/кг Fe_Feмет

q_Feмет = ∙ q_C + (1 + ) ∙ W_чуг

11. Тепловой эквивалент кремния, переходящего в чугун

Принимаем, что кремний находится в чугуне в виде FeSi, тогда теплосодержание равно, кДж/кг материала, из которого кремний переходит в чугун

q_[Si] = (14548,8 + ∙(q_C – q_C ) + ∙W_чуг – 1344 – (W_шл + b_шл∙(W_шл + +1932)))∙ ∙ ,

где 14549 кДж/кг SiO₂ – затраты тепла на диссоциацию SiO₂; (q_C – q_C )∙ – потери тепла с углеродом прямого восстановления, ккал/кг SiO₂ (по реакции SiO₂ + 2С = Si + 2СО); 1344 кДж/кг SiO₂ – количество тепла, которое выделяется при образовании FeSi; W_шл + b_шл ∙ (W_шл + 1932) - тепло, требуемое для перевода SiO₂ в шлак, кДж/кг SiO₂; ∙W_чуг – затраты тепла на нагрев кремния, переходящего в чугун, ккал/кг SiO₂; ∙ – количество SiO₂, расходуемое данным материалом на восстановление требуемого количества кремния в чугун, кг/кг материала.

12. Тепловой эквивалент гидратной воды

q_{H O} = 4200 + 0,3∙( + (q_C – q_C )∙ )∙R_d – ( ∙R_i)

13. Тепловой эквивалент углекислоты, выделяющейся из карбонатов

q_CO2 = ( + (q_C – q_C )∙ )∙R_d

14. Тепловой эквивалент шихтового материала

q_м = q_SiO ∙(SiO₂)_м + q_{Al O} ∙(Al₂O₃)_м + q_{CaO(Ca SiO )}∙(CaO)_м +

+q_{MgO(Mg SiO )}∙ (MgO)_м + q_{S .}∙S_м∙η_s + q_P∙P_м + q_Mn(MnO)∙(Mn_MnO)_м + q_Fe(FeO)∙(Fe_FeO)_м + +q_{Fe(Fe O )}∙(Fe_{Fe O} )_м + q_[Si]м

15. Тепловой эквивалент топлива

15. Тепловой эквивалент кокса

q_к = q_Ac ∙ A_С + q_{S .} ∙ S_К ∙ η_S + q_[Si]К – C_нел ∙ (q_C – Z_С)

15. Тепловой эквивалент золы кокса

q_А = q_SiO ∙(SiO₂)_А + q_{Al O} ∙(Al₂O₃)_А + q_{CaO(Ca SiO )}∙(CaO)_А + +q_{MgO(Mg SiO )}∙(MgO)_А + q_S ∙S_А ∙η_S + q_P∙P_А + q_Mn(MnO)∙(Mn_MnO)_А + +q_Fe(FeO)∙(Fe_FeO)_А + q_{Fe(Fe O )} ∙ (Fe_{Fe O} )_А

15. Тепловой эквивалент природного газа

Окисление составляющих природного газа происходит с выделением тепла по реакциям:

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 1660 кДж/м³ СО

С₂Н₆ + О₂ = 2СО + 3Н₂ + 3030 кДж/м³ СО

С₃Н₈ + 1,5О₂ = 3СО + 4Н₂ + 3380 кДж/м³ СО

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СО + 5Н₂ + 3460 кДж/м³ СО

С₅Н₁₂ + 2,5О₂ = 5СО + 6Н₂ + 3625 кДж/м³ СО

Тепловой эквивалент природного газа от неполного его горения равен

q_пг = 1660∙V_{CO(CH )} + 3040∙V_{CO(C H )} + 3380∙V_{CO(C H )} + 3460∙V_{CO(C H )} +

+ 3625∙V_{CO(C H )} + V_Дпг∙W_Дtд – V_пр.г. ∙W_пр.г.тк,

где V_{CO(CH )} , V_{CO(C H )}, V_{CO(C H )}, V_{CO(C H )} , V_{CO(C H )} – количество окиси углерода, образовавшейся из соответствующих горючих компонентов природного газа, м³; V_Дпг. – количество дутья, необходимое для сжигания 1 нм³ природного газа, м³/м³ природного газа; W_Дtд – теплосодержание влажного дутья при имеющейся температуре дутья, кДж/м³; V_пр.г. – количество продуктов горения (газа, образующегося при сжигании 1 м³ природного газа, м³/м³; W_пр.г.тк – теплосодержание продуктов горения при температуре колошника, кДж/м³.

15. Тепловой эквивалент ПУТ

Q_пут = C_пут ∙ q_C – q_A ∙ A_пут - q_{S .} ∙ S_пут ∙ η_S

15. Тепловой эквивалент золы угля

q_А =q_SiO ∙(SiO₂)_А + q_{Al O} ∙(Al₂O₃)_А + q_{CaO(Ca SiO )}∙(CaO)_А + +q_{MgO(Mg SiO )}∙ ∙(MgO)_А + q_{S .}∙(S)_А ∙η_S + q_P∙P_А + q_Mn(MnO)∙(Mn_MnO)_А + +q_Fe(FeO)∙ ∙(Fe_FeO)_А + q_{Fe(Fe O )}∙(Fe_{Fe O} )_А