2.2. Расход тепла

1.2.1 Тепло для эндотермических реакций. Тепловые эффекты эндотермических реакций рассчитываем по закону Гесса на основании значений теплот образования отдельных компонентов:

Q_энр = H⁰_298прод – H⁰_исх. (2.2)

Так, например, на восстановление кремния из кварцита (по реакции SiO₂ + 2С = Si +2СО) требуется тепла:

Q = (2^. ΔН_СО – ΔН_SiO2) ^. (сод-ие в кварците, см. п. 1.1.2) : М _SiO2 =

= (2·110947 – 862680)· 99,7 : (28 (Si) + 2^.16 (O) = 60) = –1064773 кДж.

На восстановление железа из кварцита (по реакции Fe₂O₃ +3С = 2Fe + 3СО):

Q = (3·110947 – 825300)·0,07:160 = –215 кДж.

На восстановление алюминия из кварцита (по реакции Al₂O₃ +3С=2Al + 3СО):

Q = (3·110947 – 1676178)·0,12:102 = –1580 кДж.

На восстановление кальция из кварцита (по реакции СаО+С=Са+СО):

Q = (110947 – 637980)·0,02:56 = –188 кДж.

Таким образом, на эндотермические реакции затрачивается тепла:

Q_энр = (–1064773) + (–215) + (–1580) + (–188) = –1066756 кДж.

2.2.2. Теплосодержание расплава кремния при 1700 ºС

Для упрощения принимаем расплав кремния, состоящего из 4 основных компонентов следующего состава, мас. %, соответственно: 43,054 (Si); 0,165 (Fe); 0,1685 (Al); 0,1428 (Са).

Тогда теплосодержание кремниевого расплава (Q_распл) при 1700 С по уравнению (5.1) составит:

Q_распл = 1700· (43,054·0,8568 + 0,165·1,05 + 0,1685·1,2936 + 0,1428·0,7014) = =63546 кДж.

2.2.3.Теплосодержание шлака при 1700 ºС

Принимаем следующий состав шлака, мас. %: SiO₂ – 1,391, Fe₂O₃ –0,042; Al₂O₃ – 0,315, CaO – 0,273; остальное – SiC и др. примесные составляющие.

Тогда с учетом уравнения (5.1) теплосодержание шлака (Q_шл) составит:

Q_шл = 1700· (1,391·0,7858 + 0,042·0,651 + 0,315·0,8925 + 0,273·0,7358) =

= 2724 кДж.

2.2.4. Теплосодержание пыли при 800 ºС

Принимаем следующий состав пыли, мас. %: SiO₂ – 5,9, Fe₂O₃ – 0,08; Al₂O₃ – 0,61, CaO – 0,53; остальное – др. составляющие.

Q = 800· (5,9·0,7858 + 0,08·0,651 + 0,61·0,8925 + 0,53·0,7358) = 4498 кДж.

1.2.5. Теплосодержание отходящих газов при 800 ºС

Состав отходящих газов (массой 246,728 кг) имеет следующий состав:

CO – 90 %; CO₂ – 5 % ; CH₄ – 1,5 % ; H₂ – 3 % ; O₂ – 0,5 %.

Удельный вес отходящего газа от печи составляет 1,293 кг/нм³, тогда их объем:

V = 246,728 : 1,293 = 190,8 нм³.

Зная процентный состав отходящих газов и его общий объем, рассчитаем объем отдельных компонентов газовой смеси:

CO – 190,8 ·0,90 = 171,7 нм³;

CO₂ – 190,8·0,05 = 9,54 нм³;

CH₄ – 190,8·0,015 =2,86 нм³;

H₂ –190,8·0,03 = 5,72 нм³;

O₂ – 190,8·0,005 =0,95 нм³.

Тогда теплосодержание отходящих газов (Q_газ) составит:

Q_газ = 800· (171,7·1,39 + 9,54·2,1 +2,86·2,5 + 5,72·1,32 + 0,95·1,45) =

= 219820 кДж.

2.2.6. Тепло на нагрев и испарение воды шихты.

Масса влаги (М_в) в шихте – 14,52 кг.

а)Тепло на нагрев воды (Q_нагр) с 15 до 100 ºС находим по формуле:

Q_нагр = (100-15) ^. 4,18·14,52 = 5159 кДж,

где 4,18 – теплоемкость воды, кДж.

б) Тепло на испарение воды (Q_исп) определяется по формуле:

Q_исп =Н  М_в , (5.2)

где H – удельная теплота парообразования, кДж/кг (=539,4х4,18).

Q_исп = 539,4 х 4,18 ^. 14,52 = 32738 кДж.

Суммарный расход тепла по данной статье (Q_Н2О) составит:

Q_Н2О = Q_нагр +Q_исп = 5159 + 32738 = 37897 кДж.

2.2.7. Потери тепла в окружающую среду печью

Потери тепла печью состоят из потерь сводом, подом и стенками. Принимаем, что выделение тепла в окружающую среду РТП составляет 60610 кДж.

.

2.2.8. Потери электрической мощности на нагрев элементов короткой сети

Потери электрической мощности в короткой сети (Q_нэкс) принимаем из практических данных эксплуатируемых печей: 8,3 % от общего расхода энергетического баланса.

Т.е. общий тепловой баланс составит:

(1066756 + 63546 + 2724 + 4498 + 219820 + 37897 + 60610)/0,917 =

= 1587623,77 кДж.

И тогда Q_нэкс:

1587623,77· 0,083 = 131772,77 кДж.

В таблице приведен тепловой баланс выплавки кристаллического кремния в РТП.