2

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт

им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра металлургии цветных металлов

Основы печных технологий

Часть I Конспект лекций Предназначен для студентов специальности 110300 "Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей"

Составитель доц. Орлов А.К.

Санкт-петербург

2001

1. Введение

В различных отраслях промышленного производства весьма часто используемые технологические процессы проводят при температурах, превышающих 100^оС и достигающих нередко 1500-2000^оС, а иногда и более. Целью обработки материалов в условиях высоких температур иногда может быть просто их нагрев перед какой-то последующей технологической операцией, но чаще всего обрабатываемый материал претерпевает при этом различные физико-химические превращения.

Для обработки материалов при высоких температурах используют различные виды промышленных аппаратов (печного оборудования). Большое разнообразие технологических процессов обусловливает и большое разнообразие промышленных печей.

Цель и задача дисциплины – дать студентам основы знаний по технологическим процессам и устройству печей для обработки различных материалов в химико-технологическом производстве, производстве строительных материалов, металлургическом производстве.

Приведем примеры технологических процессов, реализуемых в промышленных печах: сушка материалов и изделий, нагрев слитков металлов, обжиг, металлургические плавки, производство стекла, пиролиз каменных углей и т.д.

Промышленными печами можно назвать оборудование, в котором, используя тепловую энергию, осуществляют нагрев или необходимые физико-химические превращения обрабатываемых материалов.

Промышленные печи можно классифицировать по различным признакам: по технологическому назначению (обжиговые, плавильные, стекловаренные и т.д.), по источнику тепловой энергии (топливные, электрические и др.), по способу передачи тепла обрабатываемому материалу (тепло генерируется в слое обрабатываемого материала или вне его, передается при прямом контакте источника тепла с обрабатываемым материалом или через стенку), по режиму работы (периодический, непрерывный, циклический), по форме рабочего пространства (шахтные, барабанные, прямоугольные, круглые и т.д.) и другим.

2. Энергообеспечение печных технологических процессов

Любой технологический процесс, осуществляемый в промышленной печи, требует определенных затрат тепла, которое расходуется на сам процесс, уходит с продуктами, получаемыми в результате проведения процесса, теряется во внешнюю среду.

Источниками тепловой энергии для печных технологий могут быть горючие составляющие самого материала (сульфиды, органические вещества и др.), но чаще всего для обеспечения необходимого температурного режима работы промышленных печей тепло приходится подводить извне. Источниками этого вида тепла являются природные горючие ископаемые (каменный уголь, природный газ и др.), продукты их переработки (кокс, мазут и др.), а также попутно получаемые газы (коксовый, доменный и др.). Достаточно широко в различных производствах в качестве источника тепла используется электроэнергия, которая в свою очередь может быть получена на разного типа электростанциях (тепловых, атомных, гидроэлектростанциях и др.). Тепло, необходимое для процесса тепловой обработки материала, может генерироваться непосредственным сжиганием топлива в рабочем пространстве печного агрегата или доставляться в рабочую зону печи топочными газами, а также специально нагретыми газами. Тепло обрабатываемому материалу может передаваться от источника тепла как при прямом их контакте, так и через разделительную стенку.

Для определения энергозатрат на конкретный технологический процесс и применяемый печной агрегат используют тепловой баланс процесса, состоящий из статей прихода и расхода тепла. Топливо, используемое для промышленных печей, можно разделить на две основные группы: ископаемое (природное) и искусственное. Ископаемое – торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, нефть, природный газ. Искусственное – древесный уголь, полукокс, кокс, нефтяной кокс, мазут, соляровое масло, генераторный газ, коксовый газ, доменный газ, нефтяной газ и др.

Основные свойства топлива: химический состав; отношение к нагреванию; калорийность (теплотворная способность); калориметрическая температура горения.

Химический состав твердого и жидкого видов топлив характеризуют содержанием C, H, O, N, S (% , по массе). Кроме них топливо содержит воду (W, % по массе) и минеральные включения, которые при горении топлива образуют золу (А, % по массе). Химический состав газообразного топлива представляют содержанием (% по объему): СО, Н₂, СН₄, других углеводородов (C_mH_n), H₂S и др.

Теплонестойкие виды топлива (в основном природное твердое и жидкое топливо) разлагаются при нагревании с образованием новых соединений (горючих газов, кокса и др.). Теплостойкие виды топлива – это преимущественно искусственное топливо (кокс, термоантрацит, газы), прошедшие ту или иную термическую обработку.

Калорийность (теплотворная способность) топлива характеризуется количеством тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы топлива с образованием СО₂, Н₂О, SO₂. Для твердого и жидкого топлива калорийность (Q) выражается кДж/кг, а для газообразного кДж/м³_. Различают низшую калорийность рабочего топлива (Q_н^р), которая определяется при условии, что влага, имеющаяся в топливе и образующаяся при его горении, находится в парообразном состоянии, и высшую теплотворность топлива (Q_в^р), при которой вся влага находится в конденсированном состоянии.

Для сравнения теплотворной ценности различных видов топлива пользуются понятием "условного топлива", калорийность которого (Q_н^р) была принята равной 7000 ккал/кг пли примерно 29300 кДж/кг.

Калориметрическая температура горения топлива (t_k,^оС) – это та максимальная температура, до которой нагрелись бы продукты горения при теоретическом расходе воздуха ( = 1) и при условии, что все полученное тепло пошло на нагрев продуктов горения

,

де V_г – объемы продуктов полного горения, м³/кг;

С_г – средняя теплоемкость продуктов горения в интервале температур от О^о до t^о_k, кДж/(м³^оС)

Температура, рассчитанная с учетом расхода тепла на частичную диссоциацию СО₂ и Н₂О, называется теоретической температурой горения топлива (t_теор., ^оС).

Практическая температура горения топлива (t_пр., ^оС) еще ниже, чем t_теор., поскольку учитывает потери тепла во внешнюю среду и тепло, уходящее из зоны горения топлива

t_пр. = t_теор.  _{пир. ,}

где _пир. – пирометрический коэффициент (_пир. = 0,6-0,9).

Сравнительная характеристика некоторых видов топлива приведена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика некоторых видов топлива

№ п.п.	Вид топлива	Температура воспламенения, оС	Qнр (примерно)		tк,оС
			кДж/кг	кДж/м3
1	Торф (воздушно-сухой)	225	14000	-	1750
2	Бурый уголь	400	18000	-	1800
3	Каменный уголь	500	27000	-	2100
4	Антрацит	700	29000	-	2100
5	Древесный уголь	350	26000	-	2100
6	Кокс	700	28000	-	2200
7	Мазут	550	39000	-	2100
8	Природный газ	530	-	35000	2050
9	Коксовый газ	300	-	16000	2070
10	Воздушный генераторный газ	530		4600	1630
11	Водяной генераторный газ	530		11000	2200
12	Доменный газ	530		4000	1450