книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

было бы ознакомиться с двумя важными понятиями из современных курсов физики: теплоемкостью и темпера­ турой. Оба они тесно связаны с понятием о количестве

тепла.

Смысл слова «температура» известен всем. Темпера­ турой характеризуется степень нагретости или охлаж­ денное™ тела. Другими словами, и более строго, темпе­ ратура является свойством тел и систем, которое опреде­ ляет, будет ли данное тело или данная система находиться в тепловом равновесии с другими телами

исистемами. Когда два тела или две системы находятся

втепловом равновесии, то их температуры равны.

Тепло — это поток энергии, тепловой поток между двумя системами, который зависит исключительно от разности температур между ними. Тепловой поток изме­ ряется обычно в калориях (кал/ч) в единицу времени или в ваттах (Вт). Количество тепла, содержащееся в какой-либо системе или каком-нибудь теле, измеряется соответственно в калориях или ваттах. Понятие «количе­ ство тепла» впервые ввел Исаак Ньютон.

Из определений «температура» и «тепло» видно, что это совершенно разные понятия. Температура является свойством материи, а тепло представляет собой энергию.

Тепловые свойства тел определяются также теплоем­ костью.

Теплоемкость системы или тела определяется количе­ ством тепла, которое нужно передать этой системе или этому телу для того, чтобы нагреть его на 1 градус.

После Ньютона в физике утвердились атомистические представления. Однако механическая атомистика не объясняла химических и тепловых процессов. Чтобы объяснить их, немецкий врач Эрнст Шталь в 1723 г. «изобрел» особое невесомое вещество без цвета и запаха, которое назвал «флогистон» или «теплород». Горение, образование дыма и золы — не что иное, как процессы перехода флогистона из одного вещества в другое, — считали сторонники теории флогистона. Это было удоб­ но, но неправильно. Жизнь, практика, эксперимент ста­ вили задачи, на которые теория флогистона дать вразу­ мительного ответа не могла. Но справедливости ради нужно отметить и определенную прогрессивную роль теории флогистона. Ф. Энгельс подчеркивал, что химия «освободилась от алхимии посредством теории флоги­ стона».

Представление о том, что теплота обусловлена дви­ жением частиц вещества, впервые было высказано Ф. Бэконом в 1620 г.: «Самая сущность Тепла есть дви­ жение». Еще отчетливее это положение сформулировал Р. Декарт в 1677 г.: «Под теплотою не следует здесь по­ нимать ничего иного, кроме ускорения движения моле­ кул, а под холодом их замедление».

М. В. Ломоносов отверг теорию теплорода. В 1744— 1747 гг. он написал диссертацию, озаглавленную «Раз­ мышления о причинах теплоты и холода». В этой работе он противоставлял теории теплорода некоторые веские аргументы, очевидные в наше время.

1.Теплота возбуждается движением: «... от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем, при ударе камня об огниво появляются искры, железо накаливается от проковывания частыми и сильными ударами; при прекращении движения уменьшается и теплота, и нагретые тела охлаждаются».

2.«Огромное количество теплоты может быть создано мгновенно посредством, например, зажигания пороха ма­ лейшей искрой в пространстве, окруженном со всех сто­ рон холодной средой, в самую холодную зиму, когда всюду лютый мороз или на очень холодном дне морском. Откуда и в силу какой удивительной способности мате­ рия эта собирается в одно мгновение? Действительно ли она слетается весьма стремительно... из самых отдален­ ных мест? Но ведь в этом случае необходимо или чтобы другие тела, окружающие порох, раньше его нагрелись, или чтобы этот летучий огонь ничего, кроме пороха, не мог зажигать и расширять и должен был бы позабыть свою природу».

Всвоей диссертации, так же как и в ряде последую­ щих работ, М. В. Ломоносов материалистически обосно­ вал сущность теплоты и тепловых явлений, заложил основы молекулярно-кинетической теориивещества и установил взаимосвязь между тепловой и механической видами энергии. «По широте охвата, — писал известный советский физик акад. П. Л. Капица, — трудно назвать

другого ученого — современника Ломоносова с такими же разносторонними интересами и знаниями. Теоретиче­ ские концепции Ломоносова в тех областях науки, где он непосредственно вел свои экспериментальные рабо­ ты,— учение о теплоте, о состоянии вещества, химия — поражают тем, что они до деталей совпали с тем путем,

по которому развивались эти области после Ломоносова

и развиваются по сей день». Таким образом, в учении

отеплоте взгляды Ломоносова совпадают с представле­ ниями современной науки. Более того они сформировали

Тепло переносится горячими массами воздуха над про­ сторами Земли и от батареи центрального отопления. Внутри металлического стержня тепло транспортируется движением электронов и колебаниями кристаллической решетки. Наконец, Солнце отдает нам свою энергию

в другой. В электрообогревателе электрическая энергия превращается в тепловую, корпус космического корабля разогревается при вхождении в атмосферу Земли за счет

гии— ее гораздо труднее преобразовать в энергию дру­ гих видов. Свойство необратимости еще ярче проявляет­ ся в процессах передачи тепла между телами. Тепло самопроизвольно всегда перетекает от более нагретого тела к более холодному; однако этот процесс никогда не происходит в обратном направлении.

Теплота и работа (процесс работы) являются двумя формами передачи энергии. Различие их состоит в том, что теплота — это форма передачи энергии посредством движения и взаимодействия микрофизических тел (мо­ лекул, атомов, электронов, фотонов). Работа — это фор­ ма передачи энергии посредством взаимодействия макро­ тел, т. е. достаточно больших тел, например, движущихся или соударяющихся деталей машин и станков.

Тепловые явления подчиняются основным законам термодинамики. Первый закон термодинамики вытекает из основополагающего закона сохранения и превраще­ ния энергии, гласящего, что энергия не создается из ни­ чего и не исчезает бесследно, а лишь превращается из одной формы в другую в строго определенных количест­ вах. В соответствии с этим суть первого закона термо­

динамики можно сформулировать так: во всех тех слу­ чаях, когда исчезает некоторое количество тепла, воз­ никает вполне определенное количество механической энергии (в виде совершенной работы) и, наоборот, при совершении какой-либо работы (за счет механической энергии) появляется вполне определенное количество тепла. Первый закон термодинамики утверждает эквива­ лентность тепла и работы, но не делает никаких ограни­ чений относительно возможных направлений и условий протекания тепловых процессов и взаимопревращений тепла и работы. Второй закон термодинамики регламен­ тирует эту сторону явлений. Его суть состоит в том, что

тепло не может переходить самопроизвольно от менее нагретых тел к более нагретым.

Г л а в а II

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА

1. Сжигание топлива

Основным источником тепла для нагрева и плавле­ ния металла в металлургических печах является топли­ во. Все топливо, используемое на металлургических за­ водах, можно разделить на два вида: искусственное и естественное, которые в свою очередь подразделяют на твердое, жидкое и газообразное.

К естественным видам топлива относятся:

т в е р д о е — каменные угли, бурые угли, антрацит, торф, горючие сланцы, дрова;

ж и д к о е — нефть; г а з о о б р а з н о е — природный газ.

Кискусственным видам топлива относятся:

тв е р д о е — кокс, древесный уголь, брикеты, пыле­ видное топливо;

ж и д к о е — мазут, керосин, дизельное топливо; г а з о о б р а з н о е — смешанный (доменный-]-коксо-

вый), доменный, генераторный газы.

Особенно большую долю в топливном балансе завода занимают газообразные топлива, среди которых на пер­ вом месте природный газ. Применение твердого топлива ограничено доменными печами, вагранками.

Теплофизические особенности того или иного топли­ ва зависят в основном от его химического состава. Так

как топливо почти всех видов органического происхож­ дения, то основной горючей составляющей является уг­ лерод С, водород Н, окись углерода СО, а также соеди­ нения этих элементов, так называемые углеводороды. Чем больше углеводородов содержится в топливе, тем оно качественнее.

Горение топлива

В основе горения топлива лежит реакция окисления горючих составляющих, в результате которой выделяет­ ся то или иное количество тепла:

2СО -+- 0 2 = 2СОа -f 12645 кДж/м3 [3020 ккал/м3] ; (11,1)

2Н2 + 0 2 = 2Н20 + 10 760 кДж/м3 [2570 ккал/м3]; (11,2)

СН4+ 2 0 а=С 02+2Н 20+35800 кДж/м3 [8550 ккал/м3[. (11,3)

Количество тепла, выделяющееся при полном сгора­ нии единицы объема или массы топлива, называется теплотой сгорания или калорийностью топлива. Размер­ ность теплоты сгорания: [кДж/м3]; [кДж/кг]; [ккал/м3]; [ккал/кг].

Цифрами в приведенных выше реакциях обозначена теплота сгорания соответствующих компонентов топли­ ва. Как правило, газообразное топливо представляет со­ бой смесь СО, Н2, СН4. Теплоту сгорания топлива мож­ но определить двумя способами.

1. Для экспериментального определения служит спе­ циальный прибор — калориметр, в котором происходит сжигание определенного объема (массы) топлива с по­ следующим измерением количества тепла, выделяюще­ гося при горении.

Для теоретического определения необходимо знать химический состав топлива. Тогда с помощью соответ­ ствующих эмпирических формул можно выполнить не­ обходимый расчет. Для расчета теплоты сгорания Q ка­ менных углей обычно пользуются формулой Дюлонга:

Для расчета теплоты сгорания твердого и жидкого топлива достаточно точные результаты дает формула Менделеева:

Q — [81С + 300Н — 26 (О-S) —

— 6(И7 + 9Н)-4,187 кДж/кг.

Например, если в состав каменного угля входит 80% С, 5% Н, 2% S, 5% О, 5% А, 3%W (где А и W — процентное содержание золы и влаги в топливе), то

Q = [81-80 + 300.5 — 26(5 — 2) —

— 6(3 + 9-5)] -4,187 = 31827,6 кДж/кг.

Для определения теплоты сгорания газообразного топлива достаточно знать процентный состав газа и теп­ лоту сгорания соответствующих компонентов. Все необ­ ходимые данные по составу газа и теплотам сгорания содержатся в справочной литературе.

Для удобства сравнения расходов тепла, получаю­ щегося от сгорания различных топлив, введено понятие

торую приобретают продукты сгорания в результате вы­ делившегося при реакциях тепла.

Калориметрическая температура t — это темпера­

тура, до которой могли бы нагреться продукты сгора­ ния, если бы все тепло без потерь пошло на их нагрев:

Температура горения газообразного и жидкого топ­ лива достигает 2100° С. При таком нагреве происходит разложение СО2 и Н20, сопровождаемое поглощением тепла. Теоретическая температура учитывает потерю тепла на диссоциацию, поэтому она, естественно, ниже калориметрической:

В реальных условиях горение происходит в рабочем пространстве печи, в сложных условиях теплообмена между факелом и рабочим пространством. В таких ус­ ловиях определить действительную температуру горения

достаточно сложно. Действительную температуру горе­ ния находят обычно из уравнения

мый экспериментально, его значения колеб­ лются в пределах от 0,65 до 0,85.

Как правило, значение Тя дает весьма приближенное представление о качестве горения.

В расчетах горения и теплообмена в рабочем пространстве печи, как правило, фигурирует калориметрическая температура, являю­ щаяся одной из основных теплотехнических характеристик топлива. Калориметрическая температура горения некоторых видов топлива приведена ниже:

Как было сказано выше, в основе процессов горения лежат окислительные реакции горючих составляющих топлива с кислородом. От того, насколько хорошо пе­ ремешано топливо с окислителем, зависят качество го­ рения и, как следствие этого, скорость и качество на­ грева или расплавления металла. Физически процессы горения подразделяют на гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение характерно в основном для га­ зообразного топлива, предварительно смешанного с воз­ духом; оно происходит между реагентами, имеющими одинаковое агрегатное состояние.

Гетерогенное горение характерно для твердого топ­ лива, оно наблюдается в основном на его поверхности; при этом реагенты имеют разное агрегатное состояние.

Горение жидкого топлива осуществляется по более сложной схеме. В процессе горения происходит разло­ жение топлива на газовую и жидкую составляющие. Газ горит гомогенно, а жидкость (капли) — гетерогенно.

Процесс горения любого топлива разделяют на две стадии: воспламенение и непосредственное горение.

Воспламенение — начальный период горения, во вре­ мя которого происходит медленное окисление. В резуль­

тате этого в системе происходит накапливание тепла и медленное повышение температуры. При достижении некоторого температурного предела реакция окисления принимает лавинообразный характер и процесс перехо­ дит в непосредственное горение. Эта температура назы­ вается температурой воспламенения.

Гетерогенное горение может быть разделено на сле­ дующие стадии: 1) просушка и прогрев топлива; 2) тер­ мическое разложение топлива с выделением летучих и остатка; 3) горение летучих; 4) горение остатка (угле­ рода).

В процессе термического разложения из твердого топлива выделяются летучие составляющие горючей смеси — СО, СОг, Нг, СНЦ, CnHm и т. д. Количество ле­ тучих зависит от топлива. Чем больше летучих выделя­ лось из топлива, тем выше его качество. Действительно, выделившись из состава твердого топлива при сравни­ тельно низких температурах, смешавшись с воздухом, летучие воспламеняются, способствуя дальнейшему про­ цессу прогрева и термического разложения твердого топлива. Процесс горения газообразного составляюще­ го идет довольно быстро. В основном же длительность горения зависит от скорости окисления остатка (углеро­ да). В зависимости от количества кислорода, расходуе­ мого на сгорание углерода, горение может быть полным и идти по реакции:

С + 0 2==С02 + 408860 кДж/моль (97650 ккал/моль) (И,9)

или при недостатке кислорода эту реакцию можно вы­ разить уравнением:

2С +02= 2 С 0 + 246623 кД ж м о л ь (58860 ккал/моль). (II,10)

Иногда специально создают условия так называемо­ го неполного сгорания топлива, при котором выделяет­ ся СО, с дальнейшим использованием его в качестве го­ рючего газа.

Твердое топливо

Наиболее распространенным естественным твердым топливом являются каменный и бурый уголь, древесина, сланцы, торф. Твер­ дое топливо характеризуется по данным технического анализа сле­ дующими показателями:

1)зольностью;

2)содержанием влаги;

3)содержанием летучих веществ и. кокса;

4)содержанием серы;

5)теплотой сгорания.

Зольность характеризует негорючие составляющие твердого топ­ лива (балласт). Поэтому, чем меньше зольность топлива, тем оно качественнее, так как возрастает процент горючих составляющих.

Летучие вещества выделяются из топлива при нагревании без доступа воздуха. Состав и количество летучих зависит от состава и свойств топлива, а также от температуры сухой перегонки. Чем выше содержание летучих, тем лучше горит топливо, так как они

воспламеняются и поддерживают горение.

Т а б л и ц а 1

Состав и теплота сгорания основных видов топлива

большого количества тепла для испарения и нагрева до температуры продуктов сгорания. При большом содержании влаги в топливе оно становится непригодным, как, например, свежедобытый торф.

Содержание серы в топливе крайне нежелательно. При сжига­ нии топлива, содержащего серу, образуется окисел S 02, являющийся сильным окислителем. Так, например, при выплавке чугуна сера, со­ держащаяся в коксе, переходит в жидкий чугун, снижая его механи­ ческие свойства. При переделе сернистого чугуна в сталь возникают

Дрова в промышленности почти не применяют ввиду их низкой теп­ лоты сгорания. В основном, из дров получали раньше древесный уголь, который применяли для изготовления высококачественного чугуна на уральских металлургических заводах. В настоящее время дрова используют главным образом как местное топливо.

Торф, как и древесина, относится к местным видам топлива. Низкая теплота сгорания и невысокая прочность ограничили приме­ нение торфа в промышленности. Значительным достоинством торфа является высокое содержание летучих, легкая воспламеняемость, низкое содержание серы, относительно низкая стоимость, большие запасы. Применяют торф, в основном, на местных тепловых электро­ станциях.

Бурый уголь занимает промежуточное положение между торфом и каменным углем. Как и торф, он относительно малокалориен, со­ держит много золы (до 35—40%) и влаги (до 40%); содержание серы колеблется от 1,5 до 3%- Недостатком бурых ѵглей является их высокая склонность к самовоспламенению, требующая применения особых мер предосторожности. Как топливо бурые угли применяют на тепловых электростанциях, в основном же они служат сырьем для химической промышленности.

Каменный уголь характеризуется высоким содержанием углеро­

да, что определяет его высокую теплоту сгорания. По внешнему ви­ ду каменные угли подразделяют на блестящие, матовые, сажистые, полосчатые. В СССР 58% мировых запасов каменного угля. В основ­ ном это Донбасское, Кузнецкое и Карагандинское месторождения. Главным качеством каменных углей является их способность к кок­ сованию. В Донецком месторождении коксующиеся угли составляют ~15% , в Кузнецком — 11%, карагандинские угли перед коксовани­ ем необходимо обогащать.

Антрацит — черный, блестящий уголь высокой плотности, с боль­ шим содержанием углерода (94%). низким содержанием летучих. Калорийность антрацита Q достигает 26 000 кДж/кг, или 650 ккал/кг. Антрацит применяют в установках для газификации, котельных; мелкий антрацит используют для получения пылевидного топлива. Как топливо антрацит расходуют в шахтных печах цветной метал­ лургии.

Горючие сланцы также относятся к видам местного топлива. Большое содержание золы (до 40—60%) значительно снижает цен­ ность сланцев как топлива, несмотря на высокое содержание углеро­

балласта составляет 10 000—12 000 кДж/кг, или 2400—2900 ккал/кг. Сланцы используют в основном как сырье для химической промыш­ ленности с получением смол и горючего газа.

К искусственным видам твердого топлива относятся топлива, подвергаемые соответствующей физико-механической и физико-хими­ ческой обработке. К физико-механической обработке относятся: обо­ гащение, сортировка, брикетирование, сушка; к физико-химической

тается частичное отделение пустой породы, что несколько снижает зольность.

Из видов физико-химической обработки твердого топлива наибольшее значение имеет коксование углей. Процесс коксования представляет собой термическое разложение коксующихся углей при 1000—1100° С. Характерной особенностью коксующихся углей являет­ ся их способность расплавляться при 350—400° С. При нагреве массы до 500° С происходит бурное ее разложение с образованием полукок­ са, смолы, газа. При дальнейшем повышении температуры из массы полукокса выделяется значительное количество метана и водорода с образованием конечного продукта —- кокса. Готовый кокс выгружа­ ют в тушильный вагон, где его обычно тушат водой. Остывший кокс сортируют. Куски размером более 25 мм называют металлургическим коксом и используют главным обпазом в качестве топлива для до­ менных печей, а размером менее 25 мм называют коксовой мелочью.

200 кгс/см2 против 196—490 Н/см2, или 20—50 кгс/см2 и ископаемых углей. Влагосодержание кокса колеблется в пределах 2,5—5%. Сред­ нее содержание золы в коксе составляет 9—11%; с увеличением зольности повышается расход кокса в доменных печах, снижается производительность. Содержание серы в коксе колеблется в пределах 1,5=-2% из донецких углей и 0,5—0,7% из кузнецких углей. В про­