6 Розрахунок теплового балансу коксових печей, які опалюються коксовим газом

Вихідними величинами для розрахунків є дані, отримані в результаті складання матеріального балансу.

Коефіцієнт надлишку повітря приймається = 1,25 (з урахуванням повітря на обезграфічування).

1. Прибуткові статті балансу

Тепло горіння опалювального газу

(1)

де - нижча теплота згоряння газу, ;

- питома витрата сухого опалювального газу, .

Теплота згоряння сухого газу визначається за формулою:

(2)

де і т.і. - вміст компонентів в об'ємних відсотках у перерахуванні на сухий газ.

Таким чином розраховують теплоту згоряння суміші коксового й доменного газів.

Температуру газу, що надходить на обігрів, приймають 25ºС. Статичний тиск газу в газопроводі дорівнює 14 мм. рт. ст. (190 Па). Вміст вологи в газі.

Нижчу теплоту згоряння суміші вологого коксового й доменного газів розраховують за формулою:

(3).

Ентальпія газу:

(4),

де - температура газу, що надходить на опалення печей,.

На основі даних про середню теплоємкість складових частин газу обчислюють середню теплоємкість сухого газу, :

(5)

де і т.д. - вміст компонентів в опалювальному газі, розраховують за правилами адитивності. Теплоємкість води при дорівнює 1,497.

Ентальпія повітря:

(6)

де - дійсна кількість сухого повітря, що витрачається на спалювання 1м³ газу, м³;

- середня теплоємкість повітря;

- температура вологого повітря;

-вміст у повітрі водяних парів у перерахунку на 1м³ сухого повітря, м³;

- теплоємкість водяної пари;

(7)

де - коефіцієнт надлишку повітря;

- теоретична кількість сухого повітря, розраховується за рівнянням

(8)

де 21 - вміст кисню в повітрі, %;

- необхідна кількість кисню на згорання:

(9)

Разом з 1м³ повітря через опалювальну систему проходить певна кількість водяної пари. При відносній вологості 50% і температурі навколишнього повітря 15 С :

Ентальпія вологої шихти

деW_ш - вміст вологи, %,

с_y- середня теплоємкість сухого вугілля;

с_w - теплоємкість води;

t - температура завантаженої шихти.

Теплоємкість сухого вугілля, кДж/(кг К):

де - зольність сухої шихти, % (за даними матеріального балансу);

с_г - середня теплоємкість горючої маси шихти;

с_з - середня теплоємкість золи вугілля.

Теплоємкість с_г для коксівного вугілля при низьких температурах може бути прийнята 1,08 кДж/(кг К), теплоємкість золи с_з може бути прийнята рівна теплоємкості кварцу, чисельне вираження якої 0,711 кДж/(кг К).

Тепловий ефект процесу коксування. Величина й знак теплового ефекту процесу коксування ще недостатньо досліджені, тому за пропозицією професора П. Г. Рубіна, приймають її рівної нулю:

2. Видаткові статті теплового балансу

Ентальпія коксу, кДж/1000 кг:

де К - вихід сухого газу на одиницю завантаження (за даними матеріального балансу), м³;

с_К - середня теплоємкість коксу, приймають рівної 1,5;

t_K - середня температура коксу при видачі його з камери коксування. Приймають рівної t_K=1050°С.

Тепло нагрівання дистиляційного газу:

де V_г - вихід сухого газу на одиницю завантаження (за даними матеріального балансу), м³;

- середня теплоємкість газу;

t - температура прямого газу при виході з камери, рівна 750°С.

Щільність сухого газу:

де 1,977 , 1,413 і т.і. – щільність відповідних компонентів;

CO₂, C_mH_n - відсотковий вміст складових частин коксового газу.

Середню теплоємкість газу при t = 750 С розраховують по його составу, визначення теплоємкості окремих компонентів:

де - теплоємкість i -го компоненту;

x_i - вміст i -го компонента в суміші;

Тепло нагрівання хімічних продуктів коксування

Тепло, що виноситься парами смоли:

де G_см - вихід смоли (див. матеріальний баланс),

q_0см - схована теплота випару смоли при 0ºС, q_0см=418,7 кДж/кг;

- середня теплоємкість парів смоли при t=750ºС, =2,50 кДж/(кг·К).

Тепло, що виноситься парами бензольних вуглеводнів:

де G_б - вихід бензолу (див. матеріальний баланс);

q_{0 б} - схована теплота випару бензолу при 0 С, q_{0 б} = 431,2 кДж/кг,

- середня теплоємкість парів бензольних вуглеводнів при t=750 С; =1,951 кДж/(кг·К).

Тепло, що виноситься аміаком:

де G_ам - вихід аміаку (див. матеріальний баланс);

- середня теплоємкість парів аміаку при t=750 С; = 1,764 кДж/(кг·К);

Тепло, що виноситься парами сірководню:

де - питома об'ємна теплоємкість сірководню при t =750 С; = 1,764 кДж/(кг·К);

- щільність сірководню при 750 С, =1,539 кг/м³.

Загальна кількість тепла, що виноситься хімічними продуктами коксування

Тепло, що виноситься парами води

де W₀ - загальна кількість вологи (вугілля й пірогенетична), у кілограмах на 1 т завантаження (за даними матеріального балансу);

- середня теплоємкість водяної пари від 0С до t_п;

t_п - температура водяної пари при виході з камери коксування.

Тому що водяні пари виділяються в основному в першій половині періоду коксування, то приймають їхню температуру на 100ºС нижче температури вихідного газу, тобто t_п = 650ºС. При цій температурі середня теплоємкість водяних парів =2,026 кДж/(кг·К).

Тепло, що виноситься продуктами горіння:

де V_п.г.- кількість вологих продуктів горіння на 1м³ газу, м³;

- середня теплоємкість продуктів горіння;

t_п.г. - середня температура продуктів горіння, що надходять у борів, приймають t_п.г. = 315ºС.

Кількість продуктів горіння можна визначити по реакціях горіння компонентів газу при заданому відсотковому складі і α = 1,25.

Реакції горіння для:

C₂H₄ + 3O₂ →2CO₂ + 2H₂O,

CO+1/2O₂ →CO₂,

H₂+1/2O₂ →H₂O,

CH₄+2O₂ →CO₂+H₂O.

Схема визначення состава й кількості продуктів горіння наведена в табл.2.

Таблиця 2 - Визначення кількості продуктів горіння

компонент	Формула розрахунків	Розрахунок	Кількість компонентів, м3/м3 сухого газу	Вміст вологих продуктів згоряння, об %
CO2	(CO2+CO+CH4+ +2,15CmHn)*0,01
H2O	(2CH4+2,15CmHn+ +H2)*0,01+Wг+Wв*Ln
N2	N2/100+79/100*Ln
O2	(α-1)*O2T
Итого

де CO₂,CO,N₂ - процентний вміст відповідного компонента в газі.

Теплоємкість 1м³ продуктів горіння визначають за правилом адитивності:

де с_i - середні теплоємкості відповідних компонентів продуктів горіння;

x_i - процентний вміст відповідного компонента в продуктах горіння.

Втрати тепла хімічної неповноти горіння опалювального газу. Тому що в димових газах немає горючих елементів, втрати ці рівні

Теплові втрати в навколишній простір. Теплові втрати на одиницю завантаження залежать від продуктивності й температурного режиму печей, а також від їхньої конструкції й ізоляції стін.

У сучасних коксових печах величина теплових втрат коливається в межах 8-11% від загальної витрати тепла на коксування.

Приймають загальну кількість тепла, що витрачається в атмосферу й ґрунт, рівним:

3. Зведений тепловий баланс коксових печей

На підставі отриманих значень окремих статей прибуткової й видаткової частин теплового балансу складають попередній тепловий баланс:

У це рівняння входить одна невідома величина - V_x, що представляє собою питому витрату сухого опалювального газу на 1000 кг шихти. Після визначення значення V_x розглядають значення всіх статей й остаточні дані розрахунків теплового балансу зводять у таблицю 3.

Таблиця 3 Тепловий баланс коксових печей, опалювальних сумішшю доменного й коксового газів

Прихід		Витрата
Назва статті	кДж	Назва статті	кДж
Тепло горіння газу		Тепло на нагрівання коксу
Тепломісткість газу		Тепло на нагрівання газу
Тепломісткість повітря		Тепло на нагрівання хімічних продуктів коксування
Тепломісткість вологої шихти		Тепло, що виноситься вологою
		Тепло, що виноситься продуктами горіння
		Втрати тепла від хімічної неповноти згоряння газу
		Втрати тепла в навколишній простір
Разом		Разом