VII. Расчет теплового баланса обжига на часовую производительность единичной печи

66. Тепловой баланс обжига в печи кипящего слоя при заданной температуре (в нашем случае 850 ^оС) можно выразить с помощью следующего уравнения (предполагается, что в печи имеется избыток тепла, который удаляют с помощью теплообменников):

Q_прих. = Q_расх.,

где Q_прих. – приход тепла, кДж;

Q_расх - расход тепла, кДж.

С другой стороны

Q_прих. = Q_ф.ш. + Q_ф.д. + Q_экз.

Q_расх. = Q_ф.ог. + Q_ф.г. + Q_энд. + Q_пот.,

Q_изб = Q_прих – Q_расх

где Q_ф.ш. - физическое тепло шихты, кДж;

Q_ф.д. - физическое тепло дутья, кДж;

Q_экз. - тепло экзотермических процессов, кДж;

Q_ф.ог. – физическое тепло огарка, кДж;

Q_ф.г - физическое тепло обжиговых газов, кДж;

Q_энд. – тепло эндотермических процессов, кДж;

Q_пот. – потери тепла в окружающую среду, кДж;

Q_изб. - избыточное тепло, отнимаемое теплообменниками, кДж.

Приход тепла

67. Средняя удельная теплоемкость концентрата, кДж/(кгК)

Здесь и далее удельные теплоемкости компонентов шихты и дутья, а также продуктов обжига найдены расчетным путем с помощью уравнений регрессии, приведенных в приложениях 1 и 2, и полученных на основе термохимических данных, приведенных в [3].

Например,

Таблица 6

Материальный баланс обжига на часовую производительность единичной печи по сухому концентрату

(без учета потерь). Примечание: настоящая таблица получена на основе табл. 4 путем умножения всех пунктов

на 37,639/100=0,37639, где 37,639 т/ч – часовая производительность одной печи по концентрату (п. 55).

№ п.п.	Материалы	Cu	Fe	S	O	N	SiO2	CaO	Al2O3	П.п.п. (CO2)	Проч.	Сумма
	Поступило
1	Концентрат	7,565	12,383	15,056	-	-	0,941	0,264	0,677	-	0,753	37,639
2	Кварц	-	0,107	-	-	-	1,111	0,015	0,076	-	0,213	1,522
3	Известняк	-	0,001	-	-	-	0,009	0,043	0,001	0,034	0,004	0,092
4	Дутье	-	-	-	9,372	30,851	-	-	-	-	-	40,223
	С у м м а	7,565	12,491	15,056	9,372	30,851	2,061	0,322	0,754	0,034	0,970	79,476
	Получено
1	Огарок	7,565	12,491	6,865	1,181	-	2,061	0,322	0,754	-	0,970	32,209
2	Газы	-	-	8,191	8,191	30,851	-	-	-	0,034	-	47,267
	С у м м а	7,565	12,491	15,056	9,372	30,851	2,061	0,322	0,754	0,034	0,970	79,476

Удельная теплоемкость CuFeS₂ найдена как средневзвешенное от удельных теплоемкостей CuS и FeS.

где G_i – масса i– го компонента концентрата (п. 60);

- средняя теплоемкость i– го компонента (Приложение 1).

68. Физическое тепло концентрата, загружаемого в печь (t = 25 ^оС), кДж/ч

Здесь 37,639 – масса концентрата, т/ч (п.60);

1000. – для перевода т в кг.

69. Физическое тепло кварца, кДж/ч

Примечание: Масса кварца взята из п. 61, а средняя теплоемкость его принята равной теплоемкости SiO₂ в связи с высоким содержанием его в кварце.

70. Средняя удельная теплоемкость известняка, кДж/(кгК)

Массы CaO и CO₂ (п.п.п.) взяты из п. 62.

71. Физическое тепло известняка, кДж/ч

72. Физическое тепло влаги шихты, кДж/ч

Масса воды в шихте взята из п. 65.

73. Физическое тепло шихты, кДж/ч

74. Физическое тепло дутья, кДж/ч

Массы кислорода и азота взяты из п.63 (см также табл. 6), а их средние теплоемкости – из Приложения 1.

75. Тепло экзотермических процессов, кДж/ч

Главной реакцией, обеспечивающей автотермичность процесса обжига медных концентратов, является окисление FeS и серы элементной, образующейся в результате термической диссоциации сульфидов:

3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂; (1)

S₂ + 2 O₂ = 2 SO₂. (2)

На основе данных [3] тепловые эффекты реакций (1) и (2) могут быть рассчитаны с помощью уравнений

Q_FeS = -  H_FeS = 1763320,6 + 32,07T – 5,4810^-3T² – 9,4610⁵ / T,

Q_S = -  H_S = 722067 + 9,546 T – 6,11310^-3 T² - 477295 / T,

где T – температура, К.

При температуре 850 ^оС (T = 273 + 850 = 1123 K) получим для реакции (1)

Q_FeS = 1791582 кДж/кмоль, что составляет на 1 кг окисляемой серы FeS

Согласно п. 25 окисляется 4,719 кг S_FeS на 100 кг концентрата, что составляет 4,71910³37,639/100 = 1776 кг на часовую производительность.

Следовательно,

Q_FeS = 177618624 = 33076224 кДж/ч.

При температуре 850 ^оС (T = 273 + 850 = 1123 K) получим для реакции (2)

Q_S = 724653 кДж/кмоль, что составляет на 1 кг окисляемой серы

Согласно п. 24 сгорает 17,042 кг элементной серы на 100 кг концентрата, что составляет 17,04210³ 37,639 / 100 = 6414 кг на часовую производительность.

Следовательно,

Q_S = 641411299 = 72471786 кДж/ч.

В итоге тепло экзотермических реакций составит, кДж/ч

Q_экз = Q_FeS + Q_S = 33076224 + 72471786 = 105548010.

76. Приход тепла, кДж/ч

Q_прих = Q_ф(к-т) + Q_ф(кв) + Q_ф(изв) + + Q_ф(дут) + Q_экз = 510103 +

+ 30120 + 1915 + 296332 + 1021409 + 105548010 = 107407889.

Расход тепла

77. Рациональный состав огарка

В огарке, полученном обжигом сульфидных медных шихт с неполным удалением серы, медь, сера и железо находятся чаще всего в виде Cu₂S, FeS и Fe₃O₄. Находим их массы в соответствии с п. 64 и табл. 6.

78. Средняя удельная теплоемкость огарка при t = 850 ^oC, кДж/(кгК)

Уравнение регрессии для расчета средней удельной теплоемкости FeS получено на основе термохимических данных источника [4].

79. Физическое тепло огарка (t = 850 ^oC), кДж/ч

80. Средние удельные теплоемкости компонентов обжиговых газов (Приложение 2), кДж/(кгК) при t = 850 ^oC

1,1039.

1,0895.

2,0965.

81. Физическое тепло газов (п. 65), кДж/ч

Здесь 1000 – множитель для перевода т в кг; = 16,382 найдено как удвоенное количество серы газов (SO₂ = 2S = 28,191 = 16,382).

82. Тепло испарения влаги шихты, кДж/ч

Для испарения 1 кг воды необходимо затратить тепла 2260 кДж. Следовательно, для испарения 2,833 кг H₂O (п. 65) необходимо затратить тепла, кДж

83. Тепло эндотермических процессов, кДж/ч

Массы компонентов шихты в виде минералов взяты из пунктов

CuFeS₂ = 10,925 (п. 60)

CuS = 3,794 (п. 60)

FeS₂ = 18,048 (п. 60)

CO₂ = 0,034 (п. 65)

Их теплоты разложения, кДж/кг [4]:

Q(CuFeS₂) = 190,4;

Q(CuS) = 201,0;

Q(FeS₂) = 683,2;

Q(CO₂) = 4031,6 (здесь тепло разложения CaCO₃ выражено через массу образующегося при этом СО₂ (п. 65).

84. Потери тепла в окружающую среду, кДж/ч

По практическим данным теплопотери через боковые стены, свод и под для печей с площадью пода 20-40 м² составляет около 3 % от прихода тепла, в связи с чем определение потерь тепла расчетным путем не производим.

Следовательно,

Q_пот. = Q_прих. 0,03 = 1074078890,03 = 3222237.

85. Расход тепла, кДж/ч

Q_расх. = Q_ф(ог) + Q_ф(газ) + + Q_энд. + Q_пот. = 17620175 + 43445927 +

+ 6402580 + 15310182 + 3222237 = 86001101.

86. Избыточное тепло в печи при заданной температуре (850 ^оС), кДж/ч

Q_изб. = Q_прих. – Q_расх. = 107407889 – 86001101 = 21406788.

Примечание: Если результат получается со знаком плюс, то в печи имеется избыток тепла и его необходимо отнимать для поддержания заданной температуры. Если же результат получается со знаком минус, то в печи имеется недостаток тепла и для поддержания заданной температуры в печи придется дополнительно сжигать углеродистое топливо. Второй вариант скорее всего является неприемлемым, в связи с чем придется снизить температуру обжига, если это не приведет к нежелательным последствиям технологического характера, например, вместо оксидов получатся сульфаты и др.

Тепловой баланс обжига на часовую производительность единичной печи приводится в табл. 7.

Таблица 7

Тепловой баланс обжиговой печи на часовую производительность

единичной печи

№ пп	Составляющие баланса	кДж/ч	%
1	2	3	4
	Приход тепла
1	Физическое тепло шихты	838470	0,78
2	Физическое тепло дутья	1021409	0,95
3	Тепло экзотермических реакций	105548010	98,27
	С у м м а	107407889	100,00
	Расход тепла
1	Физическое тепло огарка	17620175	16,41
2	Физическое тепло газов	43445927	40,45
3	Тепло испарения влаги	6402580	5,96
4	Тепло эндотермических процессов	15310182	14,25
5	Потери тепла	3222237	3,00
6	Избыток тепла (Qприх – Qрасх)	21406788	19,93
	С у м м а	107407889	100,00