3.5 Составление уравнения теплового баланса

Третье уравнение составляем по тепловому балансу агломерационного процесса. Расчетная форма уравнения теплового баланса спекания была впервые предложена в 1964 г. Е.Ф.Вегманом:

q_с + q_возд + q_ш + q_s + q_заж + q_доп.об. + q_ок + q_м =

q_гигр + q_гидр + q_карб + q_дисс + q_отх.г. + q_агл. + q_т.п. (3.12)

где q_с – теплота горения твердого топлива в СО и СО₂;

q_возд – теплота воздуха, всасываемого в слой при температуре цеха или после нагрева в специальных кауперах или охладителях агломерата;

q_ш – теплота шихты при температуре цеха или после нагрева;

q_s – теплота горения органической серы и сульфидов;

q_заж – теплота зажигания агломерационной шихты пламенем газового горна;

q_доп.об. - теплота дополнительного обогрева спекаемого слоя пламенем газового горна;

q_ок – теплота окисления магнетита шихты до гематита (учитывается в случае, когда количество FeO в шихте больше количества FeO в готовом агломерате);

q_м – теплота минералообразования при агломерации;

q_гигр – теплота испарения гигроскопической влаги шихты;

q_гидр – теплота разложения гидратов и испарения гидратной воды;

q_карб – теплота диссоциации карбонатов;

q_дисс - теплота диссоциации оксидов железа и сложных минералов исходной шихты при спекании;

q_отх.г. – теплота газов, отходящих из агломерационной установки;

q_агл. – теплота пирога агломерата;

q_т.п. – тепловые потери.

3.5.1 Приход тепла

1) Теплота горения твердого топлива в СО и СО₂.

Принимаем, что 80 % углерода шихты С_Ш горит в углекислоту, а 20 % - в монооксид углерода.

Количество углерода в шихте определяется как

С_Ш = 0,01 (С_К ∙ z + С_рс∙х), (3.13)

где С_к и С_рс– содержание углерода в коксике и рудной смеси, %; z - расход коксика, кг/100 кг агломерата.

Т огда

33685 – количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг углерода в углекислоту, кДж;

10104 – количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг углерода в монооксид углерода, кДж;

0,787 и 0,0045– содержание углерода в коксике и рудной смеси, д. ед.

2) Теплота зажигания агломерационной шихты пламенем газового горна. Количество тепла, вносимого в шихту при ее зажигании, обычно колеблется в небольших пределах – 14500-17000 кДж. Принимаем q_заж=17000 кДж.

3) Теплота, вносимая воздухом.

Приняв, что углерод топлива горит на 80 % в СО₂ и 20 % в СО, определяем расход кислорода при сгорании 1 кг углерода. При горении в СО₂ по реакции С + О₂ = СО₂ (молярные массы С = 12; О₂ = 32) расход кислорода на 1 кг углерода составит:

32 / 12 = 2,67 кг,

а при горении в СО по реакции С + 0,5О₂ = СО:

16 / 12 = 1,34 кг.

Общий расход кислорода на 1 кг углерода составит:

2,67 ∙ 0,8 + 1,34 ∙ 0,2 = 2,4 кг.

Следовательно, при сгорании углерода шихты затрачивается кислорода 2,4С_Ш.

В рассматриваемом случае кислород также расходуется на окисление монооксида железа до оксида в количестве О₂^пр , органической серы коксика в SO₃ (30 %) и SO₂ (70 %) и выделяется при диссоциации MnO₂ до MnO в количестве О₂^Mn (см. (3.10), (3.11)).

Количество кислорода, необходимого для горения серы по реакции 20S+23O₂=14SO₂+6SO₃ определяем как

O_s=23 ∙ 0,95 ∙ 0,02z /20 = 0,022z, (3.15)

где 0,95 – доля окисляющейся органической серы в общем её содержании в коксике, д. ед.;

0,02 – содержание серы в коксике, д. ед.

Общий расход кислорода составит

2,4 C_Ш + О₂^пр + O_s – O₂^Mn, (кг) (3.16)

(3.17)

С учетом коэффициента избытка воздуха α =1,2…1,5 в слой спекаемой шихты необходимо ввести кислорода:

В воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Следовательно, расход воздуха определится как

100(2,52С_Ш + 1,05О₂^пр+1,05O_s – 1,05O₂^Mn)/21 =

=12С_Ш +4,95О₂^пр+4,95O_s – 4,95О₂^Mn=

=9,444z + 0,054х + 0,115x - 5,5 + 0,109z - 0,00054x – 2,015=

=0,169x + 9,553z – 7,513 (3.19)

Температуру воздуха, поступающего в слой спекаемой шихты, принимаем равной 20 ⁰С; теплоемкость воздуха при этой температуре – 1,296 кДж/м³·К. Тогда вносится воздухом тепла:

q_возд = 1,296 ∙ 20 ∙ (0,169x + 9,553z – 7,513) = 4,377x + 247,62z – 194,73. (3.20)

4) Тепло, вносимое шихтовыми материалами. Температура шихты без подогрева 20 ⁰С, теплоемкость шихты – 0,9 – 1,0 кДж/(кг∙K); принимаем предварительное количество шихтовых материалов 160 кг на 100 кг агломерата. Вносится шихтовыми материалами тепла:

5) Тепло, выделяющееся при горении серы.

При горении 1 кг серы в SO₂ выделяется 9278 кДж, а при догорании в SO₃ 20-40 % – 3092 кДж. Выделяется тепла:

6) Тепло, выделяющееся при окислении монооксида железа до оксида (рассчитывается для агломерационного процесса с окислительным характером - при % FeO рудной смеси > % FeO агломерата):

где 18226 – теплота окисления вюстита, кДж/кг О₂.

7) Теплота образования различных соединений q_м. Количество тепла, выделяющегося при образовании силикатов и алюмосиликатов железа, ферритов кальция и других веществ, обычно составляет небольшую величину – 1-2% от общего прихода тепла.

Приходная часть теплового баланса процесса агломерации:

(q_с + q_заж + q_возд + q_ш + q_s+ q_ок) / 0,98. (3.21)

Подставляем значение каждой статьи прихода тепла и получаем:

571,27х + 23714,26z – 577,39. (3.22)