2. Пример расчета теплового баланса ртп

Приход тепла в ванну РТП осуществляется следующим путем:

- за счет преобразования электрической энергии в тепловую (электрическая дуга);

- за счет физического тепла шихтовых материалов.

Расход внесенного тепла в ванну печи осуществляется по следующим статьям:

- на протекание эндотермических реакций;

- в виде физического тепла расплава кремния;

- в виде физического тепла печного шлака;

- в виде физического тепла отходящих газов;

- в виде физического тепла образовавшейся пыли; - на нагрев и испарение воды из шихтовых материалов;

- потеря тепла в окружающую среду футеровкой ванны печи;

- потери электрической мощности на нагрев элементов короткой сети.

Шихта для выплавки кремния состоит из кварцита и углеродистого восстановителя (УВ). В качестве УВ на действующем предприятии ЗАО «Кремний» ОК «РУСАЛ» используются комбинации различных углеродистых восстановителей: нефтекокс, древесный и каменный угли (Казахстан, Колумбия, Россия); древесная щепа добавляется как разрыхлитель. Также в процессе расходуются угольные электроды.

Для выполнения теплового баланса плавки нам необходимы следующие термодинамические величины.

Энтальпия оксидов ΔН, кДж/кг^.моль:

SiO₂ – 862680;

Al₂O₃ – 1676178;

Fe₂O₃ – 825300;

CaO – 637980;

CO – 110947.

Средние теплоёмкости оксидов при 25ºС составляют, кДж/кг·град:

SiO₂ – 0,7858;

Al₂O₃ – 0,8925;

Fe₂O₃ – 0,6510;

CaO – 0,7358.

Теплоёмкость металлов и кремния в расплавленном состоянии, кДж/кг·град:

Si – 0,8568;

Al – 1,2936;

Fе – 1,05;

Ca – 0,7014.

Теплоёмкость газов, кДж/кг·град:

CO – 1,39;

CO₂ – 2,1;

CH₄ – 2,5;

H₂ – 1,32;

O₂ – 1,45.

2.1.Приход тепла

Приход тепла в ванну РТП осуществляется следующим путем:

• за счет преобразования электрической энергии в тепловую (электрическая дуга);

• за счет физического тепла шихтовых материалов.

1.1.1 Нагрев электрической дугой

Тепло, приходящее от электроэнергии, рассчитывается по разности от расхода тепла.

1.1.2. Физическое тепло шихты

Теплосодержание шихты на 100 кг кварцита рассчитывается по формуле:

Q = T · Cp^o · M, (2.1)

где T– температура шихты, ^oС;

Cp^o – средняя теплоемкость оксидов, кДж/кг^.моль;

M – масса компонентов шихты, кг.

Шихта состоит из кварцита и смеси углеродистых восстановителей.

Физическое тепло кварцита

Принимаем состав кварцита, мас. %, соответственно: SiO₂ – 99,7; Fe₂O₃ – 0,08; CaO – 0,021; Al₂O₃ – 0,123; остальное – оксиды др. металлов, содержанием которых при расчете пренебрегаем.

Тогда физическое тепло кварцита (Q_кв) согласно (5.1) составит:

Q_кв = 25 (0,7858·99,7 + 0,651·0,08 + 0,7358·0,021 + 0,8925·0,123) = 1963,03 кДж.

Физическое тепло углеродистого восстановителя

Принимаем следующий расход комплексного восстановителя на 100 кг кварцита, кг, соответственно: 10,15 – нефтекокс, 20,7 древесный уголь, 35 – каменный уголь; древесная щепа добавляется как разрыхлитель в количестве 57,3 кг. Также в процессе расходуются угольные электроды в количестве 3,32 кг на 100 кг (температура сгорания угольных электродов принимается равной 2300 С).

Физическое тепло углеродсодержащих материалов составит по уравнению (5.1):

нефтяного кокса:

Q_нк = 25·1,836·10,15 = 465,8 кДж;

каменного угля:

Q_ку = 25·1,627·35 = 1423,6 кДж;

древесной щепы:

Q_дщ = 25·1,368·57,3= 1959,6 кДж;

древесного угля:

Q_ду = 25·1,947·20,7 = 1007,5 кДж;

угольных электродов:

Q_уэ = 2300·1,873·3,32 = 14302,3 кДж.

Суммарное физическое тепло шихты

Таким образом, суммарное физическое тепло шихты определяется как сумма значений физических теплот кварцита и смеси УВ.

Для нашего расчета физическое тепло навески шихты Q_шихты составит:

Q_шихты = 1963,03 + 465,8 + 1423,6 + 1959,6 + 1007,5 + 14302,3 = 21121,8 кДж.