Печи / Моргунов Печи литейных цехов
.pdf
Расположение зоны теплогенерации зависит от источника теплогенерации и режима теплообмена при тепловой работе печи. Она может располагаться, как в рабочем пространстве печи, так и за ее пределами. Например, при конвективном режиме работы зону теплогенерации выносят за пределы рабочего пространства (см. рис. 1.12б). В данном случае теплогенерация происходит в отдельных устройствах. Эти устройства в топливных печах называются топками, а в электрических печах сопротивления – калориферами. Следует отметить, что при расположении теплогенератора за пределами рабочего пространства обязательно использование теплоносителя (печных газов). При радиационном режиме теплообмена зону теплогенерации очень часто располагают в рабочем пространстве печи (см. рис. 1.12а). Это связано с особенностями радиационного теплообмена. При внутреннем режиме теплообмена зона теплогенерации всегда совмещена с зоной технологического процесса (рис. 1.12в). В данных печах отсутствует зона переноса теплоты. При слоевом режиме теплообмена зона переноса теплоты всегда совмещена с зоной технологического процесса (рис. 1.12г).
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 1.12. Схемы расположения основных зон печного пространства: а – с расположением зоны теплогенерации в рабочем пространстве; б – с выносом зоны теплогенерации за пределы рабочего пространства;
в- совмещение зон теплогенерации и технологического процесса;
г– совмщение всех трех зон; 1 – зона технологического процесса; 2 – зона переноса теплоты; 3 – рабочее пространство; 4 – зона теплогенерации
Здесь следует отметить, что при разработке геометрических форм печей необходимо, по возможности, добиваться минимального соотноше-
ния площади внутренней поверхности огнеупорной оболочки печи (Fст) к объему ее пространства (Vз):
51
Fст |
→ min |
(1.38) |
Vз |
Соблюдение данного требования приводит к уменьшению тепловых потерь через оболочку печи. Для взаимосвязи основных зон печного пространства печь имеет специальные соединительные части: дымоходы, борова, трубопроводы, дымовые трубы.
Наиболее распространенными геометрическими формами рабочего пространства печей являются:
- прямоугольный параллелепипед (шириной В, высотой Н и длиной
L);
- прямой цилиндр (диаметром Д и высотой Н).
В реальности формы печей более разнообразны, но их с некоторыми допущениями можно свести к этим двум геометрическим формам.
Обычно при оформлении геометрии рабочего пространства для горизонтальных печей сначала определяют длину (L), а для вертикальных - высоту (Н). Другие размеры устанавливают исходя из размеров нагреваемого материала, режима тепловой работы, назначения технологического процесса и т.д.
Объем рабочего пространства печи (Vр.п.), как уже отмечалось, содержит в своем составе: зону технологического процесса, зону переноса теплоты, иногда зону теплогенерации. Соотношение объемов этих зон ха-
рактеризуется коэффициентом заполнения рабочего пространства (Кз).
Коэффициент заполнения рабочего пространства равен отношению объема зоны технологического процесса (Vм) к общему объему рабочего пространства.
Кз = |
Vм |
(1.39) |
Vр.п. |
Значение коэффициента заполняемости зависит от поставленных технологических задач и тепловых режимов работы печей. Так при слоевом и внутреннем режимах теплообмена коэффициент заполняемости по значению приближается к единице, а в печах с радиационным или конвективным режимами теплообмена его значение приблизительно равно 0,25.
Для обеспечения выделения тепловой энергии зона теплогенерации в той или иной мере должна иметь такие устройства, как топки, горелки, форсунки в топливных печах или электронагреватели, индукторы, элек-
52
троды, плазмотроны, лазерные и электронные пушки в электрических печах.
Печи не могут функционировать без следующего оборудования:
-нагнетательно-отсасывающего (вентиляторы, дымососы и т.п.), обеспечивающих движение печных газов в рабочем пространстве и их выброс в атмосферу;
-различных механизмов загрузки, выгрузки и перемещения материалов в печи;
-устройств для охлаждения узлов печи, подвергаемых сильному тепловому воздействию;
-устройств для подогрева дутьевого воздуха (воздухоподогреватели) и топлива, а также шихтовых материалов;
-очистных и аспираторных сооружений, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности;
-различного электрооборудования (силовые трансформаторы, усилители тока, преобразователи тока и т.п.), обеспечивающего печи электрической энергией, как для ее тепловой работы, так и для работы ее различных подвижных устройств и механизмов;
-контрольноизмерительных приборов и устройств автоматизации (КИП и А), обеспечивающих заданные режимы работы печи и контроль за ними.
1.9.ТОПЛИВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ТОПЛИВА
Современная структура потребления топливо-энергетических ресурсов характеризуется следующими приближенными данными: освещение 0,5%; силовые процессы 25%; высокотемпературные процессы (свыше 673 К) 25%; средне- и низкотемпературные процессы (соответственно 423673 и 373-423 К) 49,5%. Освещение и силовые процессы определяют потребность в электроэнергии. Высокотемпературные процессы, а к ним относятся и тепловая обработка материалов в литейном производстве, определяет потребность в технологическом топливе, электроэнергии и паре.
Причем доля технологического топлива в высокотемпературных процессах литейного производства в настоящее время, оставаясь значительной, постепенно уменьшается, уступая место электроэнергии.
Электрической энергии как источнику тепловой энергии, предъявляются в основном требования к трем параметрам: напряжению (т.е. обеспечение его постоянства), подводимой мощности (обеспечение в необходимом количестве) и частоте (обеспечение постоянства частоты тока).
53
1.9.1. Классификация технологического топлива и основные требования, предъявляемые к нему.
Технологическим топливом называется горючее вещество, способное при сжигании в воздухе выделять значительное количество тепловой энергии. К технологическому топливу предъявляются следующие требо-
вания:
-эти вещества должны быть достаточно распространены в природе
иих добыча должна иметь, по возможности, низкие затраты;
-сжигание этих веществ не должно быть связано с выделением вредных и ядовитых веществ опасных для здоровья и жизнедеятельности человека, а также окружающей среды;
-эти вещества должны обеспечивать легкость своего сжигания и регулирование процесса горения.
По агрегатному состоянию виды топлива разделяются на твердое, жидкое и газообразное.
По происхождению – на естественные и искусственные.
Топливо, используемое в том виде в котором оно находится в природе, называется естественным. В настоящее время естественное топливо является уникальным и невозобновляемым сырьем для химической, нефтехимической, фармацевтической, микробиологической и иных промышленностей. Хотя, как непосредственные источники тепловой энергии, они достаточно широко применяются в промышленности.
Непосредственное сжигание естественного топлива по целому ряду причин не всегда целесообразно, поэтому в технике широко применяются методы переработки естественного топлива. Продукт переработки естественного топлива носит название искусственного топлива.
Основные виды технологического топлива, которые используются
впромышленности представлены в табл. 1.9.
54
|
|
|
Таблица 1.9 |
Классификация топлива по агрегатному состоянию и происхождению |
|||
Агрегатное со- |
|
Происхождение |
|
стояние |
естественное |
искусственное |
|
Твердое |
Дрова, торф, бурый |
Древесный уголь, кокс, полукокс, |
|
|
уголь, каменный уголь, |
брикеты, термоантрацит |
|
|
антрацит, |
горючие |
|
|
сланцы |
|
|
Жидкое |
Нефть |
|
Бензин, керосин, мазут и другие |
|
|
|
продукты переработки нефти, |
|
|
|
спирт, каменноугольная смола и |
|
|
|
др. |
Газообразное |
Природный |
и нефте- |
Газы: коксовый, доменный, све- |
|
промысловые газы |
тильный, водяной, генераторный, |
|
|
|
|
нефтезаводской и др. |
Самый древний вид топлива – дрова. В настоящее время дрова используются в промышленности очень ограниченно.
Нефть как топливо применяется со второй половины XIX века. В настоящее время нефть является одним из важнейших ископаемых. Нефть
восновном напрямую не сжигают. Ее используют для изготовления искусственных топлив: мазута, керосина и т.п.
Сдревнейших времен в металлургии в качестве топлива применялся древесный уголь, однако появившийся в более позднее время кокс вытеснил его.
В последнее время очень широкое применение получили природные газы. Увеличивается добыча каменного угля. При этом значительно увеличивается добыча углей, годных для коксования.
Кокс и термоантрацит в основном используется при плавке чугуна
ввагранках.
Природный газ нашел самое большое распространение в сушильных и нагревательных (термических) печах, а также в плавильных печах для производства алюминиевых и медных сплавов.
Из жидких топлив наибольшее распространение получил мазут. Он по некоторым показателям превосходит другие топлива, в т.ч. и природный газ. Очень часто его используют в качестве резервного для печей, работающих на природном газе. В целом ряде случаев работа на комбинированном газо-мазутном топливе оказывается экономически более выгодной, чем на одном газообразном.
55
Все виды топлива характеризуются своим составом, т.е. содержанием горючих и негорючих составляющих. Негорючие составляющие называются балластом топлива.
Элементарный состав жидкого и твердого топлива
Как горючее, так и негорючие составляющие жидкого или твердого топлив находятся в различных, часто сложных, химических соединениях. Поэтому для удобства определения горючих составляющих жидкого или твердого топлива расчет производят по их элементарному составу. В полном виде элементарный состав жидкого или твердого топлив описывается уравнением массы рабочего топлива (рабочего – означает с учетом балласта и влажности):
Ср + Нр + Ор + Sр + Np + Vp + Ap + Wp + Рр = 100%, (1.40)
где Ср; Нр; Ор; Sр; Np – содержание (по массе) соответствующих химических элементов в топливе (%);
Vp; Ap; Wp; Рр – содержание (по массе) летучих, золы, влаги и пыли соответственно (%).
Состав газообразного топлива
Состав газообразного топлива определяют по концентрации химических составляющих, как горючих, так и балласта. Очень часто концентрацию составляющих газообразного топлива выражают в объемных процентах (объемн.%), приведенных к нормальному состоянию. Так для природного газа состав рабочего топлива описывается следующим уравнением:
CH 4p + ΣCn H mp + H 2p + CO p + CO2p + N 2p + O2p + SO2p + H 2O p + NOxp =
=100(объемн.%) |
(1.41) |
где CH 4p иΣCn H mp - содержание (по объему) метана и других углеводородов в рабочем топливе (объемн.%);
H 2p ;CO p ;CO2p ; N2p ;O2p ; SO2p ; H 2O p ; NOxp - содержание различных газообразных составляющих рабочего топлива (объемн.%).
56
1.9.2. Основные теплотехнические характеристики технологического топлива
Ценность топлива определяется следующими характеристиками: теплотворной способностью или теплотой сгорания; жаропроизводительностью; температурой воспламенения; удобством сжигания; содержанием вредных примесей.
Кроме этого технологическое топливо может характеризоваться следующими параметрами: температурой вспышки; реакционной способностью; расходом воздуха на горение; пределом воспламенения; плотностью; пористостью; вязкостью; температурой застывания; размерами кусков или дисперсностью частиц.
Теплотворная способность топлива
кДж кДж
Теплотворная способность топлива ( кг ; м3 ) – это максималь-
ное количество теплоты, которое может выделиться при полном сжигании 1 кг или 1 м3 топлива в холодном воздухе (Тв = 273 К). От теплотворной способности зависит расход топлива на проведение заданной тепловой обработки материала в печи. Различают высшую и низшую теплотворную способность. Их значения зависят от содержания влаги в топливе.
Высшая теплотворная способность ( Qвр ) – это максимальное ко-
личество теплоты, выделенной при полном сгорании топлива с образованием воды.
Низшая теплотворная способность ( Q нр ) – это максимальное ко-
личество выделенной теплоты при полном сжигании топлива с учетом поглощения теплоты на парообразование. При парообразовании происходит поглощение теплоты в количестве:
2512 кДж/кг(Н2О).
Низшая теплотворная способность топлива более реальна. В данном случае процесс должен происходить без конденсации влаги, а продукты
сгорания должны выходить из печи с температурой не менее 373 К (2730С).
При нормальных физических условиях Q нр и Qвр связаны между собой следующим выражением:
Q нр = Qвр - qH 2O mH 2O , |
(1.42) |
57
где qH2O - удельная теплота испарения влаги (q = 2512 |
кДж |
); |
|
||
|
кг |
|
mH2O - удельное содержание влаги в продуктах сгорания, полученных при сжигании 1 м3 или 1 кг топлива, приведенное к нормальным условиям
|
кг |
; |
кг |
( |
|
кг ). |
|
м3 |
Содержание балласта уменьшает теплотворную способность топлива и, соответственно, его жаропроизводительность. В газообразном топливе в качестве балласта чаще всего встречается Н2О, N2 и СО2. В жидком топливе - Н2О и сернистые соединения. В твердом топливе – вода, различные минеральные твердые и летучие соединения, оксиды и т.д. Летучая часть балласта топлива переходит в продукты сгорания, а твердая – образует золу при сжигании. Поэтому жидкие и твердые топлива характеризу-
ются такими параметрами, как содержание влаги (Wp) и летучих (Vp), а также значением зольности (Ар).
Температуры продуктов горения топлива
Температурными характеристиками топлива являются: жаропроизводительность, калориметрическая температура, теоретическая температура и действительная температура горения. Жаропроизводительность является основной температурной характеристикой топлива.
Жаропроизводительность (Тж) – это максимальная температура, которая развивается при полном сжигании топлива в воздухе с учетом парообразования, но без учета диссоциации продуктов сгорания. Значение жаропроизводительности топлива показывает на его тепловые возможности при обработке материала в печах.
Сжигание топлива в современных печах часто производят с использованием подогрева воздуха и самого топлива. Несомненно, что физические теплоты топлива и "дутьевого" воздуха, вносимые в теплосодержание продуктов сгорания дополнительно, должны повысить их температуру (т.е.
выше значения Тж).
Максимально возможная температура горения с учетом физических теплот топлива и "дутьевого" воздуха, но без учета потерь теплоты в окружающее пространство и на диссоциацию продуктов сгорания называется
калориметрической температурой горения. Ее значение определяется по уравнению:
58
|
Q р +Q |
+Q |
|
|
|
Тк = |
н |
ф.т. |
ф.в. |
, (К), |
(1.43) |
|
n |
|
|||
|
|
∑сi υi |
|
|
|
i=1
где Qнр - низшая теплотворная способность топлива (кДж/кг или кДж/м3);
Qф.т. и Qф.в. – физические теплоты, вносимые топливом и "дутьевым" воздухом в зону горения (кДж/кг или кДж/м3);
ci – средня теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания при темпе-
ратуре Тк ( м3кДжград );
υi – объем i-го компонента продуктов сгорания при сжигании единицы массы или объема топлива, приведенный к нормальным условиям (м3);
n – количество компонентов в продуктах сгорания.
При Qф.т. = 0 и Qф.в. = 0 калориметрическая температура горения должна быть равна жаропроизводительности:
Тк = Тж, при Qф.т. = Qф.в.= 0.
Реально при высоких температурах происходят реакции диссоциации продуктов сгорания:
СО2 → СО + 1/2О2; Н2О → Н2 + 1/2О2
Эти реакции требуют затрат теплоты, т.е. относятся к эндотермическим реакциям. Также в реальных условиях горения обязательно наблюдается химический недожог топлива.
Значение температуры горения топлива с учетом потерь теплоты на диссоциацию продуктов сгорания и химический недожог топлива называ-
ют теоретической температурой (Тт).
Известно, что при увеличении значения жаропроизводительности топлива степень диссоциации его продуктов сгорания увеличивается. Практически влияние диссоциации продуктов сгорания на значение теоретической температуры сказывается при значениях температуры выше
1873-1923 К (1600-16500С).
59
Для определения теоретической температуры горения топлива в воздухе часто используют поправочный коэффициент, учитывающий сте-
пень диссоциации продуктов сгорания (коэффициент диссоциации – φ):
Тт = φ · Тк , |
(1.44) |
при Т = 2473 К – φ ≈ 0,93; при Т = 2323 К – φ ≈ 0,95; при Т = 2223 К – φ ≈ 0,96; при Т = 2123 К – φ ≈ 0,97.
Действительная температура горения (ТД) – это температура про-
дуктов горения, которая достигается при сжигании топлива в реальных условиях работающей печи. Данная температура будет ниже, чем значение теоретической температуры, вследствие теплообмена продуктов сгорания в рабочем пространстве печи.
Для практических расчетов действительной температуры горения (ТД) все потери теплоты, происходящие при теплообмене продуктов сгорания в рабочем пространстве, учитываются специальными пирометрическими коэффициентами (η), значения которых определены экспериментальным путем:
ТД = η · Тт = η ·φ · Тк |
(1.45) |
Значение пирометрического коэффициента зависит от конструкции рабочего пространства печи и условий сжигания топлива. В табл. 1.10 при-
ведены значения η для наиболее распространенных конструктивных вариантов печей.
Таблица 1.10
Значение пирометрического коэффициента (η)
Вариант печи |
η |
Камерные печи периодического |
0,62-0,70 |
действия |
|
Проходные печи, методические на- |
0,70-0,75 |
гревательные печи |
|
Закрытые туннельные печи |
0,75-0,82 |
Вагранки |
0,78-0,85 |
60