книги из ГПНТБ / Табунщиков, Н. П. Производство извести

Следует отметить, что расчет а по составу отходящих газов не мо­ жет быть признан надежным по двум причинам.

Во-первых, печи на природном газе, как правило, работают под разрежением и поэтому в головке печи имеются подсосы воздуха, разбавляющего печные газы. Расчетное значение а в этом случае не будет характеризовать действительное соотношение газа и возду­ ха в зоне горения.

Во-вторых, в составе газа отсутствует элементарный углерод, ко­ торый в той или иной мере образуется за счет термической диссоциа­ ции углеводородов. Количество его существенно возрастет с увели­ чением доли диффузионного сжигания газа по сравнению с кинети­ ческим сжиганием (или, другими словами, с уменьшением доли пер­ вичного воздуха, подаваемого на образование газовоздушной смеси в горелке).

Значение а существенно зависит от типа применяемых горелок. Так, для однопроводных (диффузионных) горелок необходимо под­ держивать а яг 2. Только при таком расходе воздуха достигается более или менее полное сжигание газа и минимальный расход топ­ лива.

При использовании двухпроводных горелок а может быть умень­ шена до 1,15 в зависимости от количества первичного воздуха, пода­ ваемого в горелку.

Пример. Вычислить расход воздуха, количество и состав продуктов полного горения природного газа, если известно, что сухой газ содержит: 89,9% СН4; 3,1%С2Н6; 0,9% С3Н8; 0,4% С4Н10; следы Н2; 0,3% С02; 5,2% N2. Количество влаги, отнесенное к сухому газу, 15,5 г/м3.

Содержание водяных паров в газе: 15,5-100

Н2°Г = 803,6 + 15,5 = 1,9%

Расход кислорода на горение сухого газа:

Ко2 = 0,01 (2СН4 + 3,5С3Н6 + 5С3Н8 + 6,5С4Н10) =

= 0,01 (2-89,9 + 3,5-3,1 + 5-0,9 + 6,5-0,4) = 1,976 м3/м3

Расход сухого воздуха при а = 1,2:

Твозд = 4,76-1,2-1,976 = 11,25 м3/м3

НО

Объем двуокиси углерода, м3:

Vco/ = ^со2 + ^ о 2л = 0,01СО2.Кс.п.г

= 0,400 + 0,266.0,01MgC03-/C°

= < 02 - 0.01СО.Fc.n.r - 0,01CH4.Fc.„.r

где а —"удельный расход газа, м3. Объем^окиси углерода, м3:

Изо = 0,01CO-Fc.n.r

Объем несгоревшего метана, м3:

^сн4 = 0,01СН4.1/с.п.г

Объем несгоревшего водорода, м3:

V'h, = 0,01Н2-Ус.п.г

Объем свободного кислорода, м3:

Vo„ = 0,01O2-Fc.n.r

Подставив соответствующие значения в уравнение, выражающее объем С02 в сухих печных газах, и решив его относительно Fc.n.r> получим (в м3)

Фактический расход кислорода на реакции горения природного газа соста­ вит (в м3)

= aVo , - 2ус щ - 0,5Fco - о,5Кнг

После подстановки соответствующих значений имеем (в м3)

l/o2= o1/q2 — 0,01 (2СН4 + 0,5СО + 0,5Н2)Р с.п.г

Расход воздуха при коэффициенте расхода а будет (в м3)

100

^возд — 21 aVOna

Объем водяных паров (в м3):

Vн2о = н 2о — сн4 — Ущ — н2о -0,01 (2СН4 + Н2) Чдп.г

Что касается расчета потребной высоты шахты при работе на природном газе, то высота рекуперативных зон рассчитывается так же, как и при использовании твердого топлива. Метода расчета высо­ ты зоны горения газа в настоящее время еще нет. Существо расчета должно свестись к описанию процесса перемешивания газов, введен­ ных с воздухом через горелку и поступающих из зоны охлаждения извести.

Процесс перемешивания зависит от многих переменных. К ним относятся: соотношение объемов газов, введенных через горелку и из зоны охлаждения, размер кусков обжигаемого материала, кон­ струкция горелочного устройства (способ ввода газов в слой куско­ вого материала) и т. п. Именно процесс смесеобразования и опреде­ ляет высоту зоны горения, а следовательно, и зоны обжига. Вслед­ ствие этого замена расчета процесса перемешивания газов расчетом зоны обжига по теплопередаче или по кинетике обжига не может привести к желаемым результатам.

112

Сказанное можно проиллюстрировать следующим примером. Рас­ чет высоты зоны обжига по теплообмену* показал, что высота зоны обжига должна быть 0,77 м при скорости опускания материала 0,71 м/ч. Отсюда следует, что время пребывания кусков, размер ко­ торых принят равным 0,1 м, составит

Таким образом, скорость проникания зоны диссоциации в глубь куска должна быть (в м/ч)

(рис. 4, а и 6), при средней температуре в зоне обжига /обж st; 1300 '“С. Поскольку разложение СаС03 начинается при 850—900 °С, то для обеспечения — 1300°С конечная температура в зоне обжига должна

достигать -—-1600—1700 °С, что для известково-обжигательных печей совершенно нереально.

На основании экспериментальных замеров в действующей печи температура в зоне обжига не превышает 1250 °С.

С другой стороны, анализ проб газа, отобранных на разных вы­ сотах над горелочными устройствами, указывает на то, что при ис­ пользовании однопроводных горелок высота зоны горения превы­ шает 10 м. Так, в пробе газа, отобранной на высоте 6,16 м над осе­ вой однопроводной горелкой, содержалось 12% СО, 9% Н2, 3%СН4,

а = 0,4.

Применение двухпроводных горелок сокращает высоту зоны пе­ ремешивания газов. Однако в шахтных печах не удается подать весь необходимый для горения воздух в горелки без существенного уве­ личения а, так как в печи необходимо обеспечить охлаждение изве­ сти. Поэтому часть воздуха должна вводиться в печь через зону ох­ лаждения. По опытным данным, высота зоны горения при использо­ вании двухпроводных горелок равна 3—4 м.

П р и м е р р а с ч е т а м а т е р и а л ь н о г о и т е п л о в о г о б а л а н с о в п е ч и , р а б о т а ю щ е й на п р и р о д н о м г а з е

* См. книгу: Теплотехнические расчеты металлургических печей. М., «Ме­ таллургия», 1970, с. 236.

Статьи расхода теплового баланса приведены ниже:

АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ ПО СОСТАВУ ПЕЧНЫХ ГАЗОВ И РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

А н а л и з р а б о т ы п е ч е й по с о с т а в у п е ч н ы х г а з о в

На практике часто возникает необходимость сравнить показа­ тели работы нескольких печей или проанализировать работу одной печи в различные периоды. Наиболее объективным показателем для этого может служить состав печного газа.

Проиллюстрируем сказанное примером. Оценим работу печей, состав печного газа которых характеризуется следующими данными

(в %):

Печи I-—III работают под разрежением, печь IV — под давлени­ ем. Сопоставление данных, на первый взгляд, говорит о том, что луч­ ше всех работает, по-видимому, печь IV, а хуже всех — печь III.

Для того чтобы иметь объективные данные для оценки, необходи­ мо исключить влияние кислорода, присутствующего в печном газе. Это легко сделать, пересчитав состав газа на бескислородную смесь. Вместе с кислородом из состава газа должна быть исключена и со­ ответствующая доля азота. Коэффициент пересчета можно выразить так:

10021

К~ О2-Ю0 = 21 — 02

Ю0--^21---

После исключения избыточного воздуха печной газ будет иметь следующий состав:

По концентрации С02 можно судить о том, что печь III расходует наименьшее количество тепла. Потери от химического недожога у нее также наиболее низкие. Несколько хуже работает печь II, у ко-

115

торой больше расход тепла и выше потери от химического недожога. Еще большие потери тепла с окисью углерода у печи IV.

Нужно отметить, что на состав отходящих газов не влияет меха­ нический недожог топлива, поэтому фактический расход топлива на этих печах может отличаться еще и на величину механического недо­ жога.

Хуже всех в тепловом отношении работает печь I. В ней происхо­ дит генерация СО и расход тепла на обжиг существенно выше. Это может происходить, в частности, при вводе в шихту избыточного ко­ личества топлива. В этом случае увеличение количества воздуха, подаваемого в печь, не снизит содержания СО, так как избыточному теплу некуда деваться. Интенсификация горения приведет лишь к дальнейшему повышению температуры в зоне обжига и может вы­ звать образование плава в печи. Снизить содержание СО можно толь­ ко уменьшением дозы топлива в шихте.

Повышенная генерация СО в печи может также вызываться из­ лишне высокой шахтой (наличие резервной высоты между зонами по­ догрева и обжига).

По концентрации кислорода в газе можно сделать заключение, что на печи III, работающей под разрежением, неисправно запорное устройство на головке печи. Низкая концентрация 0 2 на печи IV объясняется работой ее под давлением, когда подсос воздуха в го­ ловке печи исключен. В этом случае увеличением подачи дутья так­ же не удается повысить содержание кислорода в отходящем газе, потому что в печи всегда имеется топливо в зоне подогрева. Это топ­ ливо обычно не горит только потому, что в газе уже не остается кис­ лорода. увеличение подачи воздуха, таким образом, приведет к уве­ личению количества сжигаемого в единицу времени топлива, прак­ тически не влияя на состав отходящего газа.

Повышение содержания кислорода в этом случае возможно толь­ ко при смещении зоны горения вверх, когда топливо не успевает на­ греться до температуры воспламенения и наблюдается проскок кис­ лорода. Такой случай был рассмотрен в главе «Горение топлива».

Р а с ч е т п р е д е л ь н о м и н и м а л ь н о г о р а с х о д а т е п л а и к о э ф ф и ц и е н т а т е п л о и с п о л ь з о в а н и я

Коэффициентом теплоиспользования rjHiT условимся называть от­ ношение полезно затраченного тепла ко всему затраченному теплу:

Если принять, что топливо сгорает полностью (Qco= QMex = 0) ПРИ коэффициенте расхода воздуха а — 1 и при минимальных значениях всех остальных статей потерь тепла, то получим предельно мини­ мальный расход тепла и значение предельного коэффициента тепло­ использования. Указанные величины рассчитаны для условий рабо­ ты на твердом топливе, на природном газе с теплотой сгорания

116

Потери в окружающую среду на современных печах составляют 15-4,19 кДж/кг. Дальнейшее снижение потерь в окружающую среду вряд ли целесообразно, поэтому в расчетах принята эта величина.

Потери тепла с выгружаемой известью приняты минимальны­ ми — 9-4,19 кДж/кг.

Температура газов на входе в зону подогрева принята равной тем­

с газами.

Показатели температурного режима и статьи расхода тепла в зо­ нах обжига и подогрева приведены в табл. 14.Тепловой эффект реак-

117

ции в зоне обжига взят при температуре разложения СаС03, а в теп­ ловом балансе — при нормальных условиях.

Расход высокотемпературного тепла в зоне обжига для всех рас­ смотренных видов топлива остается неизменным, а использование тепла в зоне подогрева различно. При работе на твердом топливе часть тепла дополнительно используется на нагрев топлива, поэтому поте­ ри тепла с отходящими газами в этом случае оказываются минималь­ ными. Для антрацита добавляются потери тепла с летучими веще­ ствами. Для мазута и природного газа потери тепла с отходящими га­ зами возрастают за счет большего выноса его в зону подогрева. Вследствие этого понижается и предельный коэффициент теплоиспользования (табл. 15), достигая самого низкого значения при рабо­ те на природном газе. Там же приведены фактические расходы на лучших печах и так называемые коэффициенты теплового совершен­ ства печи, представляющие собой отношение предельно минималь­ ного расхода тепла к фактическому расходу. Этот коэффициент по­ вышается по мере освоенности печей. Поскольку мазут в шахтных печах начал применяться совсем недавно, то и коэффициент теплового совершенства у этих печей имеет самое низкое значение.

Р а с ч е т п р е д е л ь н о г о с о д е р ж а н и я о к и с и к а л ь ц и я в п о л у ч а е м о й и з в е с т и

Предельное содержание свободной окиси кальция (в %) в изве­ сти легко определить из отношения

СаО (своб.) = ЮО/ТС*

118

Выход натуральной извести определяется по материальному ба­ лансу. Если материальный баланс не составлялся, то содержание СаО (своб.)|может быть подсчитано по уравнению

СаО (своб.) =

ЮОСаСОссст

______________________________________________________________________________ Я_____________________________

^ 17 860 — 92,87MgCO='°+ СаССЕс ст {0,01 -/С? [9мех + (1 - 0,01?мех) АР] - 0,7857}

При работе на газообразном топливе в извести отсутствует при­ месь золы и остатков несгоревшего топлива и уравнение будет иметь вид

ЮОСаСО^ст

СаО (своб.) = )7 860 _ 92i87MgCO^c — 0,7857СаСОзсхст

Из приведенных уравнений вытекает, что содержание СаО(своб.)

взначительной мере зависит от состава исходного сырья и вида топ­ лива. Поэтому устанавливать норму содержания СаО(своб.) в изве­ сти для заводов можно только с учетом этих показателей. Правиль­ нее регламентировать степень обжига сырья, а содержание СаО(своб.)

визвести будет определяться составом сырья.

Здесь говорилось о предельном содержании СаО(своб.), т. е. о максимально возможном содержании СаО, которое образуется при отсутствии побочных реакций СаО с примесями. Фактически эти реакции в той или иной степени протекают при обжиге, и содержа­ ние СаО(своб.) в результате этого будет снижаться.

Уменьшить влияние реакций образования силикатов, ферритов и алюминатов кальция можно только при минимальном расходе топ­ лива на обжиг. Таким образом, борьба за снижение расхода тепла на обжиг не ограничивается экономией топлива — одновременно возрастает содержание СаО(своб.) в извести и повышается кон­ центрация С02 в печных газах, что имеет большое значение при даль­ нейшем использовании углекислого газа в технологических целях.

119