книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

где и сгорают,

отдавая

затем тепло в рекуператоре на нагрев воздуха. На рис. 2

показаны

условия

окисления

СОг/СО

железа

в продуктах сгорания

коксового

газа

при

разных

коэффициентах

избытка

воз­

духа.

В доменных

печах, поми­

мо высоких температур, необ­

ходимо получать

достаточное

количество

окиси

углерода и

водорода,

требуемое для

вос­

становления

железа

из руды.

Поэтому состав газовой

атмо­

сферы играет в данном про­

цессе

большую

роль. Почти

всегда

состав

газов

факела

и продуктов

полного сгора­

ния,

помимо

чисто

физиче­

ских

свойств

(излучательная

способность

и

пр.),

сущест­

венно

влияет

на

химические

реакции, протекающие в агре­

гатах.

Поэтому

третьим

усло­

вием

развития

технологиче­

ского процесса является полу­

чение

определенных

свойств

факела

и газовой

атмосферы

в печах.

Следует

заметить,

что

выше

перечислены

только

основные

условия,

которые

Р и с .

2.

У с л о в и я о к и с л е н и я ж е л е з а

в

п р о д у к т а х с г о р а ­

в различных

печах

реализу­

ются

по-разному.

ния

к о к с о в о г о газа в зависимости

от

Коэффициента и з ­

бытка

в о з д у х а

жающими закон

сохранения энергии.

Рассматривая тепловой баланс печи одновременно с ее производственными

показателями1 ,

можно оценить степень использования тепла, вскрыть причины

малой тепловой экономичности и

наметить мероприятия по улучшению работы.

Типичные

тепловые балансы

печей

странства совместно с

рекуператорами (с регенераторами) и 3) для

всей

установки

в целом (с котлом-утилизатором). Для анализа тепловой эффективности

отдельных

элементов печи составляют также тепловые балансы регенераторов,

котла-утилиза­

тора и т. п.

Баланс тепла для

печей периодического действия составляется

применительно

балансы, отнесенные к единице количества материала — 1 т или

1

кг

конечного

продукта

или

шихты.

Уравнение теплового баланса рабочего пространства печи или всей печи в целом

в общем случае имеет вид [1]:

Qnpnx =

Qpacx,

(1.3)

Ql

+

< 4 +

QI

+

Q'M

+

QSKS =

Q"u +

<3ш + <?энд +

Qo.

r +

QB.

T

+

(1.4)

~\~ Qx. н ~b QM. H ~b Qo. с "T" Qmi-

В этом уравнении в левой части даны статьи прихода тепла, а в правой

расхода

тепла.

Структура

теплового баланса приведена ниже:

Приход

тепла

Q J

Теплота сгорания топлива (химическая энергия топлива)

Энтальпия

воздуха,

поступающего

на горение

С?ф

»

топлива

Q J

»

исходных

материалов садки

Q M

Тепловой эффект экзотермических реакций, протекающих

Q3K3

при тепловой

обработке материала

И т о г о . .

. ^

<3прих

Расход

тепла

Конечная

энтальпия

материала

Q M

Энтальпия технологических отходов (шлака, огарков и т. д.)

Qm

Тепловой эффект эндотермических реакций, протекающих

при тепловой обработке продукта, включая испарение влаги

из

материала

<ЗЭНд

Энтальпия дымовых газов, отходящих из печи через газоход:

газов, образующихся при сгорании топлива, газов, выделяю­

Q0 . г

щихся из шихты (из материала)

из печи

Потери

тепла

с дымовыми газами, выбивающимися

QB . г

в атмосферу

Потери тепла от недожога газов и вследствие их диссо­

Qx . н

циации

Потери от механического недожога топлива:

от

механического

недожога

горючих в провале,

шлаке

и уносе (при твердом топливе)

QM.

от утечек газообразного топлива в регенераторах через

неплотности и вследствие потерь газа при реверсирова­

нии

регенеративных

печей

Тепло,

рассеянное в окружающей среде:

вследствие

теплопроводности

кладки

лучеиспусканием через открытые отверстия в печи в ре­

зультате фильтрации газов через кладку

Qo.

потери тепла с водой, охлаждающей кладку и другие

детали

печи

потери тепла с транспортными устройствами и с тарой

QK1S

Потери

тепла

на

нагрев

кладки

И т о г о

• £ Q : расх

Тепло, рассеянное в окружающей среде Q0 . С ! складывается из тепла,

теряемого

кладкой

вследствие ее теплопроводности

Q0 с

и фильтрации газов

Q0 с ,

тепла,

/V"

теряемого лучеиспусканием через открытые садочные окна и другие отверстия

Q0 С)

и тепла, уносимого водой, охлаждающей некоторые детали печи Q o x ,

<2o.c =

Qo.c + Q ; . c

+ Qo . c + Qox.

(

L 5

)

Дл я

определения затрат тепла на технологический процесс и для анализа

этих

затрат составляют тепловой баланс процесса (плавки, обжига,

нагрева

и

т. п.),

протекающего

в технологической зоне рабочего пространства печи — в ванне

пла­

вильной печи, на поду нагревательной печи и т. д.

Тепловой баланс технологического процесса можно наглядно представить себе,

рассматривая

мартеновскую плавку стали:

QM + ? 3 K 3 + <2r + Q T exH=Q ; + Qm + Q £ r + < W

(1-6)

Здесь

Qr

— энтальпия

кислорода и других газов, поглощенных

ванной;

(?ф г

— энтальпия

технологических газов при выходе из

ванны;

Фтехн —

количество тепла, переданное ванне факелом и кладкой, или расход

тепла на

процесс.

Стехн =

Д

? м + Д 3 ф

Г + Qm + ^энд ~

^экз,

где

AQM =

QM — QM — прирост энтальпии

материала в ходе

плавки;

Газы, выделяющиеся из ванны, состоят из окиси

углерода СО и других

газов,

получающихся от окисления углерода при продувке

ванны

кислородом,

а

также

от разложения известняка, руды и влаги. Примерно

90%

выгоревшего

углерода

шихты расходуется на образование СО, которая частично сгорает над ванной

в С 0 2 ,

вой части уравнения

(1.4) величину

Q^' г и группируя члены, можно записать

тепло­

вой баланс печи в другом виде:

Ql

+ < 4 +

< 4 •+- Q1-г

+

<?ф г

=

И

м

+ д <2ф г

+

<2Ш + Сэнд -

З э к з ]

+

+

Qo. г +

QB . Г +

QX. Н + QM.

Н

f

Qo. с

(1.7)

или

Ql

+ Ql +

Ql

+

Ql r

+

Q*

г

=

=

Стехн +

Qo.

г +

QB .

г + Qx. н +

Q M . н + Q0.

с

Здесь QTX

г — теплота

сгорания

газов,

выделяющихся

из

шихты.

Тепловой баланс сводят в таблицу или для

наглядности изображают графически.

На рис. 3, а изображена диаграмма теплового баланса

рабочей камеры

мартеновской

В электрических

печах нет

продуктов сгорания (за исключением небольшого

количества газов, получающихся

от сгорания электродов), поэтому потери тепла

с отходящими газами

отсутствуют.

конечного продукта). Все члены уравнения теплового баланса,

пропорциональные

расходу топлива, можно записать следующим образом:

Ql=bQl,

Q | = w B

;

Q j = w x ;

Q B . r = ° w B . r ;

(1-8)

Qo. r =

(1 — O") bl0.

r ,

где

a — доля

газов,

выбивающихся из рабочего

пространства;

/ в

— энтальпия

воздуха, идущего на сгорание, отнесенная к единице

количе­

ства топлива;

/ т

— энтальпия

топлива на единицу количества топлива;

/ в

. г

— энтальпия

газов, выбивающихся из рабочего пространства, на

единицу

количества

топлива;

Л), г — энтальпия

газов, отходящих из рабочего пространства,

на единицу коли­

чества

топлива.

Тогда уравнение баланса для непрерывно

действующей печи можно переписать

в таком

виде:

ft[QP

+ / B

+ / T

_ o / B

г _

( 1 _ а ) / о г -

9 х

. н - <

7 м

н ] =

= Q M - Q l + <2Ш

+ С э н д

- Q 3 K 3 + A Q £ Г

+ Q 0 . с,

( I - 9 )

откуда

удельный

расход

натурального топлива

( к г ) 1

на

единицу

количества мате­

риала

составляет:

Ь =

[ Q M - Q M + QU, + ^ r + Q 3 H A - Q 3 K 3 ] + Q o . c

, Q )

Q P + /T + / B - 0 / B . r - ( l - 0 ) / o . r - < ? x . H - V H

'

^ т е х н

=

Q,„ + Q,ф

+ ^ э н д ~ ®э

(1.11)

представляет

собой

полезное тепло технологического процесса,

т. е. расход

тепла

на собственно технологический

процесс за вычетом тепла экзотермических реакций.

Использовав эту величину,

выражение (1.10) можно переписать. Тогда:

b = •

(1.12)

где Т1 и с п — коэффициент использования тепла (топлива), показывающий, какая

доля

тепла, введенного в печь, использована в рабочем пространстве

печи:

Лисп ;

+ Л>

<?х. н +

Яы.н + о / в . г + (1 — о) /0.

г

(1.13)

-Печь

с регенеративным

устройством

Если можно

предположить,

что / 0 , г ;=» / в . г ,

то

г , „ с

п ~ 1 + ^

-

.

(1.14)

Q? =

QS +

/ x + / » -

(i-i5)

Кроме того, если потери тепла от недожога можно не учитывать и к. п. д. сгора­

ния 8 c

r =

1,

тогда

Удельный

расход топлива

в этом

случае

будет

В =

^ т

е х н

Qo- с

jy^

^рт 1исп8 сг

Поскольку QP =

/ к >

т. е. располагаемое тепло равно начальной (калориметрической)

энтальпии,

то

'

_

1к —

fo. г _ •

/ о . г

_

,

То, г

) Я >

Лисп —

7

1

7

^

1

т

'

(1Л°)

'к

'к

'к

причем

последнее

выражение

справедливо при постоянной теплоемкости газов.

В последнем

члене

равенства

(1.18) теплоемкости

с0 , г и с к приняты

постоянными.

Следовательно,

коэффициент использования топлива показывает

также степень

продукции,

полученную за 1 ч

работы:

•

Qo. с

_ Qo. с

(1.19)

,

т

g - = x ~ p — = <7о.с,

в

мартеновской

печи);

g — часовая

производительность

печи;

Р — загрузка печи (масса материала, находящегося в печи).

Удельный расход топлива в килограммах на единицу количества

продукции

может быть выражен также формулой

и

Qrexa

~\- Qo, с/8

Фтехн

, Qo. с

и \ и

/т о т

^н'1исп

^н'1исп

^нТ 1исп

Чо.с = УЬС%,

(1.21)

где у — коэффициент, учитывающий потерю в долях от

Тогда удельный расход

топлива

» = - §

f ^

<!•*>

ЧИ

Чисп

Ч э н =

100%.

(1.32)

мом переходе

из начального состояния в состояние равновесия с окружающей сре­

дой. Из соотношения,

справедливого для обратимого цикла Карно, получаем

EIQ =

1 — Т0/Т,

или

Е = Q (1 — TJT),

(1.33)

где Т — абсолютная

температура теплоносителя, отдающего тепло Q;

Т0 — абсолютная

температура окружающей среды, в которую отводится та

часть тепла, которая не может быть превращена в работу.

Коэффициент (1 — TJT),

на который нужно умножить тепло Q, чтобы

получить

кой температурой

Тв,

то и тогда

имеет место потеря эксергии в количестве

= Q (

^ -

^ ) -

( 1 ' 3 4 )

е= I — i0 — T0(s — s0 ).

(1.36)

Здесь i — i 0

— перепад удельной энтальпии в

процессе;

s — s0

— изменение удельной энтропии,

равное приросту энтропии окружа­

ющей среды.