12.2 Расчет теплового баланса

При расчете теплового баланса плавки огневого рафинирования черновой меди необходимо учитывать, что процесс ведется при различных температурных режимах. При окислении примесей меди расход топлива снижается и, наоборот, восстановление меди осуществляется при повышенных расходах топлива. Розлив готовой анодной меди ведется при расходе топлива, обеспечивающем неизменную температуру металла в печи, т.е. при минимальном расходе топлива. В то же время расплавление в печи твердой шихты требует высокого расхода топлива.

В связи с тем, что для последующего расчета печи и выбора оборудования для сжигания топлива и утилизации тепла отходящих газов важны также крайние значения расхода топлива, рассчитаем тепловой баланс плавки при максимальном и минимальном расходах топлива. Для расчета теплового баланса печи зададимся следующими показателями.

Масса плавки 200 т. В печь загружают: меди черновой жидкой при 1150⁰С в количестве 175,4 т; анодного скрапа при 25⁰С в количестве 31,6 т; брака анодного в количестве 1 т при 25⁰С. Температура меди в печи составляет 1200⁰С. Теплота плавления меди 43 ккал/кг; теплоемкость в интервале 20–1083⁰С равна 0,094 ккал/кг, а теплоемкость жидкой меди 0,1318 ккал/кг.

Температура отходящих из печи газов составляет 1250⁰С. В качестве топлива используют мазут следующего состава, %:

2W^P; 0,ЗA^P; 1,9S^P; 83,3 С^P; 11,5 Н^P; 0,5 О^Р; 0,5 N^P; Q^P_н=9370 ккал/ч (по паспорту).

Время плавки 15 ч, в том числе расплавление скрапа 2 ч, загрузка жидкой меди 4 ч, окисление и съем шлака 2 ч, восстановление 2 ч, разливка меди 5 ч.

Расчет горения мазута. Конечные реакции горения мазута следующие:

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; S + О₂ = SO₂

Определим теоретический расход кислорода, необходимый для сжигания 100 кг мазута, кг:

С + О₂ = СО₂ 83,3•32/12=222,1

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О 11,5•32:4=92

S + O₂ = SO₂ 1,9•32/32=1,9

Итого 316

С кислородом поступит азота 316•77/23=1058 кг, а расход воздуха составит 316+1058=1374 кг.

От сгорания мазута получим дымовые газы следующего состава и объема:

	кг	м3	% (объемн)
СО2 2Н2О SО2 N2	83,3•44/12=305,4 11,5•36/4=103,5 1,9•64/32=3,8 1058	155,3 128,8 1,3 846,4	13,7 11,4 0,1 74,8
	Итого 1470,7	1131,8	100

В заводских условиях сжигание мазута осуществляется при α=1,15.

Расход воздуха при этом составит: 1374•1,15=1580 кг, в нем кислорода 1580•0,23=363,4 кг, азота 1580•0,77=1216,6 кг.

Состав дымовых газов будет:

	м3	% (объемн)
СО2 Н2О SО2 N2 О2	155,3 128,8+1580/1,293•5•2,24/18=7,6+128,8=136,4 1,3 973,3 33,8	11,9 10,6 0,1 74,8 2,6
	Итого 1300,1	100

При определении влаги принимаем, что в 1 м³ воздуха, поступающего на сжигание мазута, содержится 5 г влаги.

Определим фактическую теплоту мазута:

=6747,3+2829+10,4–12=9570,7 ккал/кг.

Тепловой баланс плавки. Для определения теплового баланса огневого рафинирования черновой меди рассчитаем расход топлива при плавке в печи твердых остатков и при разливке меди по расходу и приходу тепла.

Расход тепла

1. Расход тепла на нагрев твердой меди (31,6+1,0=32,6 т=32600 кг) до температуры плавления составит 32600•0,094•(1083–24)=3257457 ккал, или 3257457/2=1628729 ккал/ч.

2. На плавление меди потребуется 32600•43,0=1401800 ккал, или 1401800/2=700900 ккал/ч.

3. На нагрев меди до 1200⁰С потребуется 32600•0,1318•(1200–1083)=502712 ккал, или 502712/2=251356 ккал/ч. Всего на нагревание твердой меди, ее плавление и подогрев жидкой меди потребуется тепла 1628729+700900+251356=2580985 ккал/ч. Этот расход сравнительно с расходом топлива в другие периоды является максимальным.

4. На нагрев жидкой меди с 1150 до 1200⁰С потребуется 175400•0,1318 (1200–1150)=1155886 ккал, или 1155886/4=288972 ккал/ч.

Всего на нагревание и плавление металла потребуется тепла

1628729+700900+251356+288972=2869957 ккал/ч.

5. Потери тепла с отходящими газами при температуре 1250⁰С и расходе топлива X кг/ч, ккал/кг:

СО₂ 1,55Х•683,7=1059,7Х

Н₂О 1,36Х•530,85=721,9Х

SO₂ 0,013Х•684,65=8,9Х

N₂ 9,73Х•426,45=4149,4Х

О₂ 0,34Х•450,5=153,2Х

Итого 6093,1X ккал/кг

Энтальпию газов при 1250⁰С определяем интерполяцией по таблице 25.

6. Потери тепла через кладку печи. Наклоняющаяся анодная печь имеет размеры 9,15•3,96 м. Толщина кладки печи из хромито-магнезитового кирпича равна 0,46 м. Горловина для заливки меди имеет площадь 1,5•2=3 м².

Так как анодная вращающаяся печь емкостью 200 т сконструирована на базе 80 т конвертора для переработки штейнов, то примем потери через кладку, рассчитанные в § 9 (п.5, с.64).

Потери тепла через кладку равны 120,1•1,3•360=561600 ккал/ч. По данным Д.А. Диомидовского, потери, тепла лучеиспусканием через горловину при коэффициенте диафрагмирования φ=0,87 равны 4,96•0,87•1,5•2 ( )⁴=609443 ккал/ч. Весь расход тепла равен 2580985+6093,1Х+561600+609443=3752028+6093,1X.

Приход тепла

1. С топливом 9570,7Х ккал.

2. С воздухом 15,8X•0,25•0,31=1,2Х ккал.

Всего приход тепла составит 9571,9Х ккал.

По расходу и приходу тепла составляем уравнение теплового баланса на период максимального расхода топлива: 3752028+6093,1Х=9571,9Х.

Отсюда расход топлива при расплавлении твердых остатков равен

X=3752028/(9571,9–6093,1)=1080 кг/ч.

Определим расход топлива при операции розлива меди. Расход тепла при разливке будет складываться из потерь тепла с отходящими газами, равных 6093,1Х ккал/ч, и потерь тепла через кладку и горловину, равных 1171043 ккал/ч.

Приход тепла от сжигания мазута и с воздухом составит 9571,9Х ккал/ч.

Таким образом, уравнение теплового баланса в этом периоде процесса будет 6093,1Х₁+1171043=9571,9X₁. Решая его, найдем Х₁:

кг/ч.

По полученным данным составим тепловой баланс печи в период расплавления твердых остатков. Приход тепла от сжигания мазута и подачи воздуха составит 11,12•10⁶ ккал/ч, а расход тепла на нагрев металла составит 2,8•10⁶ ккал/ч, с уходящими газами 7,03•10⁶ ккал/ч, потери через кладку 0,56•10⁶ и потери излучением 0,61•10⁶ ккал/ч.

Из баланса видно, что в основном тепло в процессе анодного рафинирования теряется с отходящими газами. Для использования этого тепла анодные печи оборудуют рекуператорами для подогрева воздуха или котлами-утилизаторами, что повышает тепловой к.п.д. печи до 60–65%.