Печи / Моргунов Печи литейных цехов

Теоретический расход воздуха на горение. Коэффициент расхода воздуха.

Теоретический расход воздуха на горение или стехиометрический объем воздуха (Lт) – это минимально возможное количество воздуха, необходимое для полного горения единицы массы или объема топлива, рассчитанное по стехиометрическим уравнениям горения, согласно химического состава топлива.

Полное горение топлива – это такое горение, при котором в продуктах сгорания не образуются горючие газы, способные в дальнейшем догорать с выделением теплоты.

В реальных условиях тепловой обработки действительный или фактический расход воздуха на горение (LД), по заданным условиям сжигания, часто имеет значение отличное от значения теоретического расхода

(Lт ).

Соотношение действительного расхода воздуха на горение (LД) к теоретическому расходу (Lт) учитывается специальным коэффициентом

(α), который называется "коэффициентом расхода воздуха на горение топлива":

Несомненно, что для полного сжигания топлива, в реальных условиях практический расход воздуха (Lпр) будет выше по значению, чем

Lт. На практический расход воздуха при полном горении будут оказывать влияние следующие факторы:

-вид топлива и его подготовка к горению;

-устройство топок и топливосжигающего оборудования;

-назначение и конструкция печи.

Реально для полного сжигания топлива, в зависимости от его вида, рекомендуются следующие значения коэффициента расхода воздуха (αп =

Lп/ Lт):

-газообразное топливо – 1,05-1,10;

-мазут – 1,10-1,25;

-пылевидное топливо – 1,20-1,25;

-каменноугольное топливо – 1,20-1,70.

Изменяя коэффициент расхода воздуха можно регулировать состав продуктов сгорания и их температуру. В приложении Ж , в качестве при-

61

мера, приведены состав и калориметрическая температура горения природного газа в зависимости от коэффициента расхода воздуха и температуры его подогрева.

Температура воспламенения и вспышки

Температура воспламенения топлива характеризует момент пере-

хода реакции его окисления от медленного протекания к быстрому (т.е. горению). Для большинства горючих газов температура воспламенения находится в пределах 773-873 К (500-6000С). Для твердого топлива температура воспламенения находится в пределах 973-1073 К (700-8000С). Чем больше летучих веществ в твердом топливе, тем ниже его температура воспламенения. Жидкое топливо воспламеняется только в парообразном состоянии при 773-973 К (500-7000С).

Кроме температуры воспламенения жидкое топливо характеризуется температурой вспышки. Это значение температуры, при которой над поверхностью жидкого топлива образуется взрывчатая газообразная смесь из паров топлива и воздуха. Температура вспышки значительно ниже температуры воспламенения. Например, у мазута температура вспышки имеет значение 353-373 К (80-1000С).

Следует отметить, что присутствие балласта в топливе повышает температуру воспламенения, а водяной пар до определенной концентрации является катализатором горения топлива (без присутствия группы ОН по теории цепной реакции горения невозможно сжигание топлива).

Пределы воспламенения

Пределы воспламенения – это граничные концентрации горючего газа в горючей газовоздушной смеси, в пределах которых происходит ее воспламенение. Данный параметр характерен для газообразных топлив.

Горючие газовоздушные смеси в пределах воспламенения взрывоопасны. Они могут взорваться от любого источника огня (спички, искры и т.п.). Повышение температуры среды расширяет пределы воспламеняемости среды. В качестве примера. Пределы воспламеняемости природного газа при температуре 293 К (200С) имеют следующие значения:

-минимальная концентрация газа (объемн.) – 3%

-максимальная концентрация газа (объемн.) – 17%.

62

Удобство сжигания

Удобство сжигания топлива характеризуется трудоемкостью подготовки топлива к сжиганию и затратами дополнительной энергии на его подготовку и розжиг. Кокс, например, перед сжиганием просеивают и сортируют по размерам кусков (что важно для наведения холостой колоши вагранки). Розжиг кокса требует затрат дополнительного топлива (природного газа, дров) и длителен по времени. Мазут перед сжиганием необходимо подогреть, что требует специальных устройств для подогрева. Его сжигание связано с обязательным распылением сжатым воздухом, паром и др. дополнительными источниками кинетической энергии. Природный газ разжигается достаточно легко с помощью газового или электрического запальника.

Вредные примеси

Вредные примеси топлива оказывают существенное влияние на экологическую обстановку при его сжигании в печах. Чем больше вредных примесей в топливе, тем больше капитальных затрат на очистку продуктов сгорания. К часто встречающимся вредным примесям относятся сера и ее соединения, пылевидные частицы (оксиды, частицы самого топлива и пр.). Такая примесь, как сера, кроме экологической опасности, наносит вред качеству сплавов при их производстве (особенно при производстве чугуна и стали).

Реакционная способность твердого топлива

Реакционная способность – это способность топлива, содержащего углерод, участвовать, при высоких температурах, в реакции газификации углерода, при продувке его углекислым газом (СО2):

Эта реакция эндотермическая. Для ее прохождения требуется затраты теплоты:

Qэнд = 13548 кДж/кг(С)

Реакционная способность (R) характеризует степень прохождения реакции газификации и определяется соотношением количества (СО2) и

63

(СО) в продуктах сгорания, выраженных в объемных процентах (объемн.%) и приведенных к нормальным условиям:

Чем больше реакционная способность топлива, тем больше СО выделяется в продукты сгорания, тем меньше температура продуктов сгорания. На реакционную способность большое влияние оказывает пористость топлива. Чем выше пористость топлива, тем выше его реакционная способность.

Одной из важных характеристик ценности топлива является его стоимость. Однако следует отметить, что стоимость топлива должна всегда рассматриваться в комплексе с транспортными расходами, хранением, затратами на обеспечение безопасности и т.п.

Условное топливо и эквивалентный коэффициент

Для сопоставления различных технологических топлив введено понятие «Условное топливо».

Условное топливо – это такое предполагаемое топливо, у которого низшая теплотворная способность принята равной:

Qр н.усл.т = 29350 кДж/кг.

Для сравнения различных технологических топлив, при расчетах их расхода, производят перерасчет количества реального топлива (тр.т.) в количество условного топлива (тусл.т.). Перерасчет производится с помощью эквивалентного коэффициента (Э):

Эквивалентный коэффициент связывает между собой низшие теп-

лотворные способности реального топлива (Qр н.р.т.) и условного топлива

(Qр н.усл.т.):

64

1.9.3. Перспективы использования естественного топлива

По состоянию на начало 2006 года общее потребление первичной энергии в мире составило 15,05 млрд. тонн условного топлива или 2,42 тонн условного топлива в среднем на одного жителя планеты в год. В табл. 1.11 представлена структура мирового потребления первичной энергии по ее видам на начало 2006 года.

Таблица 1.11

Структура мирового потребления энергии по регионам мира на начало

2006 г. (в %)

Обеспеченность основными видами энергетических ресурсов регионов мира крайне неодинакова. Географическое несовпадение центров запасов и, соответственно, производства энергетических ресурсов и преимущественных центров потребления определяет две основные проблемы развития мировой экономики:

-обеспечение надежности поставок огромных объемов энергетических ресурсов из центров производства в центры их потребления;

-установление разумных цен на энергоресурсы в нестабильных условиях развития экономики.

Втабл. 1.12 представлены данные о распределении запасов основных топливо-энергетических ресурсов по состоянию на начало 2006 года.

65

Таблица 1.12

Распределение основных топливо-энергетических ресурсов по регионам мира (в %)

В настоящее время использовать естественные виды топлива напрямую для сжигания в топках печей нерационально, т.к. они являются уникальным сырьем многих перерабатывающих отраслей промышленности.

Поэтому в настоящее время необходимо использовать комплексные энерготехнологические методы использования топлива, в которых предусматривать комбинированные процессы:

-с одной стороны для извлечения всех ценных составляющих из топлива;

-с другой стороны для рационального сжигания топлива с последующей организацией технологий утилизации продуктов сжигания.

По простейшей энерготехнологической схеме естественное топливо

необходимо подвергать специальной термической переработке, в результате которой получается:

-ценное сырье для химической и иной промышленности;

-высококалорийное искусственное технологическое топливо (твердое,

газообразное, жидкое, пылевидное).

Энерготехнологические методы в настоящее время возможно использовать для всех видов твердых, жидких и газообразных топлив.

66

Так путем переработки угля получают сотни ценных продуктов. Из нефти и природного газа производится более 95% продуктов органического синтеза: полиэтилен; пластмассы; полиэфирные волокна; синтетический каучук; кормовой белок и т.д.

На рис. 1.13, в качестве примера, представлена энерготехнологическая схема переработки природного газа в сырье химической промышленности и синтетическое высококалорийное технологическое топливо.

Технологическое топливо

Получение электроэнергии

Сырье для химической и иной промышленности

Рис. 1.13. Энерготехнологическая схема рационального использования природного газа.

1.10. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕЧЕЙ

Работа любой печи характеризуется определенным набором количественных, геометрических и теплотехнических параметров, которые определяют их возможности при решении заданных технологических задач.

1.10.1. Количественные и геометрические параметры работы

Количественные параметры печи характеризуют объемы процесса тепловой обработки, производимого в ней. Самым основным количественным параметром работы печи является ее производительность. Для характеристики печи обычно используют два понятия производительности – это общая производительность и удельная производительность.

В печах периодического действия количественные параметры характеризуются количеством изделий массой или объемом материала (сад-

67

кой), загружаемых в рабочее пространство (т; м3; шт.), а также временем цикла тепловой обработки (час).

Общая производительность печи (G; M; V; L) характеризует коли-

чественные ее возможности по тепловой обработке материала (т/час; м3/час; шт/час; т/цикл; шт/цикл). Именно общая производительность печи совместно с такими характеристиками, как размеры материала, назначение тепловой обработки и режим тепловой работы, определяют размеры ее рабочего пространства.

Удельная производительность печи (g; m; υ) характеризует интен-

сивность ее работы. Данный параметр определяет производительность работы единицы площади пода или единицы объема рабочего пространства печи [(кг/(м2·час); кг/(м3·час)]. Удельную производительность называют

массовой напряженностью пода или массовой напряженностью рабочего пространства. Например, для современных нагревательных печей массовая напряженность пода составляет 550-570 кг/(м2·час).

Для оценки интенсивности работ печей периодического действия, работающих циклически, вводят понятие условной производительности. Ее определяют отношением массы или объема «садки» к времени технологического цикла тепловой обработки (т/час; м3/час; шт/час).

Геометрические параметры печи характеризуют ее возможности при тепловой обработке материала или изделий, исходя из их габаритных размеров и плотности упаковки. Геометрические параметры печи долны быть связаны с ее производительностью. К геометрическим параметрам печи можно отнести:

-размеры рабочего пространства (высота, длина, ширина; или площадь пода; или площадь поперечного сечения и длина);

-объем рабочего пространства;

-коэффициент загрузки рабочего пространства;

-габаритные размеры печи.

1.10.2. Теплотехнические параметры работы

Теплотехнические параметры характеризуют тепловую работу печи. К ним можно отнести следующие параметры: рабочую температуру печи и температурный режим ее работы; тепловую нагрузку и тепловой режим ее работы; тепловую мощность; удельную тепловую мощность; коэффициент форсирования; тепловое напряжение рабочего пространства; удельный расход тепловой энергии или технологического топлива.

Рабочая температура печи (Тп) – это максимальная температура, которая может использоваться в данной печи для тепловой обработки ма-

68

териала. Данный параметр определяет предельные возможности печи по тепловой обработке материала.

Температурный режим работы (Тп(τ)) – это заданный график из-

менения температуры в печи во времени (К/с). Данный параметр назначается исходя из технологических задач нагрева (температурного графика нагрева) материала.

Тепловая нагрузка (Wп) – это количество тепловой энергии, подаваемое в рабочее пространство печи в единицу времени (Вт). Тепловая нагрузка определяется тепловым режимом печи.

В топливных печах тепловую нагрузку часто характеризуют расхо-

дом технологического топлива (В) в единицу времени (кг/час; м3/час; кг/с;

м3/с).

Тепловой режим печи (Wп(τ)) – это график изменения тепловой нагрузки во времени (Вт/с). Тепловой режим должен поддерживать заданный температурный режим печи.

Тепловая мощность печи (Wmax) – это наибольшее количество тепловой энергии, которое можно подать в печь в единицу времени (Вт). Тепловая мощность характеризует тепловые возможности печи.

Удельная тепловая мощность (ϖ max) – это тепловая мощность, от-

несенная к единице площади печи Fп или единице объема рабочего пространства Vр.п. (Вт/м2; Вт/м3):

Коэффициент форсирования (Кф) – это отношение тепловой мощ-

ности к средней тепловой нагрузке за время работы печи:

странства (ϖ н) – это номинальная тепловая нагрузка печи (Wп.ном.), отнесенная к единице площади пода (Fп) или к единице свободного объема рабочего пространства (Vр.п.):

69

Тепловая напряженность может изменяться в достаточно широком пределе:

ϖн = (60 – 1200) (кВт/м3)

Вэлектрических печах сопротивления вместо теплового напряжения используется понятие удельная поверхностная мощность – это номи-

нальная тепловая нагрузка (Wп.ном.), отнесенная к единице поверхности нагревателя.

Удельный расход тепловой энергии или технологического топлива

(ϖ уд; Вуд) – это расход тепловой энергии или технологического топлива

на единицу массы материала, подвергаемого тепловой обработке (Дж/кг;

Вт/кг; кг/кг; м3/кг).

1.10.3. Энергетический к.п.д. печей

В топливных печах эффективность тепловой работы характеризуется общим тепловым к.п.д. печи (η0), который равен отношению количества полезно затраченной теплоты (Qп) к общей тепловой энергии, вводимой в

печь:

где Qрн – низшая теплотворная способность топлива (Дж/кг или Дж/м3); В – расход топлива на сжигание в печи (кг; м3 или кг/с; м3/с);

Qф – физическое тепло топлива и дутьевого воздуха, вносимые в печь (Дж или Дж/с);

Qп – полезно затраченная теплота (Дж или Дж/с);

Qдоп – дополнительно вводимая теплота в печь (Дж или Дж/с).

Для электрических печей характерны три показателя к.п.д.: электрический; тепловой; общий.

Электрический к.п.д. – это отношение количества электроэнергии, поступившей в печь, к количеству электроэнергии, поданной от силовой сети к печной установке:

70