Вопросы для самопроверки к разделу 1

1. Какие теплотехнические агрегаты необходимы для осуществления ме-таллургических процессов?

2. Каковы источники теплоты в металлургических печах?

3. Какие конструктивные приёмы используются для организации передачи теплоты от места ее генерации до нагреваемого и расплавляемого в печи металла?

4. Возможно ли совмещение пространства теплогенерации и рабочего пространства металлургической печи?

5. Если источником теплоты в промышленной печи является топливо, то что требуется для выделения этой теплоты с целью последующего её использования?

6. В чём заключается особенность дуговых плавильных печей?

7. Чем отличается индукционный нагрев металла от дугового?

8. Приведите примеры металлургических печей непрерывного и перио-дического действия.

9. Чем отличается камерная печь от методической?

10. Для загрузки каких материалов в печь используются транспортерные системы?

Раздел 2. Теплогенерация в металлургических печах

Тема 2.1. Теплогенерация

За счёт энергии сжигаемого топлива

Общие сведения о топливе и его сжигании. В зависимости от агрегатного состояния различают следующие промышленные виды топлива:

А) Твердое (каменный уголь, кокс, горючие сланцы).

Б) Жидкое (продукты переработки нефти, для промышленных печей -жидкий остаток от получения лёгких фракций (бензина, керосина и др.) – мазут, представляющий собой смесь тяжелых углеводородов: нафтенов, карбенов, карбоидов, асфальтенов и других смол).

В) Газообразное: природный газ и некоторые другие газы, являющиеся побочными продуктами доменного (доменный газ) и коксохимического (коксовый газ) производств.

В составе топлива присутствуют следующие его составные части (химические элементы или компоненты):

C + H + O + N + S + A + W = 100,0.

Источником теплоты являются экзотермические реакции окисления (сгорания) горючих элементов топлива, к которым в первую очередь относятся углерод С и водород Н. Некоторое количество теплоты дает также сера, входящая в состав органических соединений S_o с другими элементами топлива, а также колчеданная сера S_k в соединении FeS₂. Сульфатная сера S_o, образующая соединения CaSО₄ и FeSО₄ и др., не горит и целиком переходит в состав золы А топлива. Топливо также может содержать влагу Н₂О, обозначаемую как W.

Остановимся на главных составляющих любого топлива.

Углерод С. Реакция полного сгорания

С + О₂ = СО₂ + 32813 кДж/(кг С).

При неполном сгорании (в условиях недостатка кислорода) имеем, кДж/(кг С)

.

Водород Н сгорает с выделением наибольшего количества теплоты при конденсации полученной воды, кДж/(кг Н),

.

В то же время если продукт реакции - Н₂О остается в парообразном состоянии, то тепловой эффект составляет, кДж/(кг Н),

.

Вместе с тем следует иметь в виду, что в расчете на 1 м³ Н₂ ввиду его малой плотности тепловой эффект для реакций * и ** составит соответственно:

145885 · ^.0,09 = 13130;

123310 · 0,09 = 11097,9,

где 0,09 – плотность водорода при нормальных условиях, кг/м³

Азот N, имеющийся в топливе, является балластом, поскольку в условиях обычного топочного процесса участия не принимает.

Кислород O считают нежелательной составляющей топлива, так как с горючими элементами он образует соединения H₂O, CO, CО₂ и проч., тем самым обесценивая полезный запас горючих веществ топлива.

Влага W и зола А также являются балластом топлива, снижая его тепловую ценность. Жидкое и газообразное топливо золы не содержит.

Следует подчеркнуть, что в последнее время, твердое топливо (каменный уголь) в основном расходуется на переработку в кокс для питания доменных печей. В то же время, благодаря все более совершенным технологиям переработки нефти дорогие жидкие нефтепродукты становятся топливом, весьма редко используемым для отопления промышленных печей.

Поэтому основным топливом становится природный газ. В составе последнего сера практически отсутствует, свободный водород входит в ограниченном количестве, основное же его количество химически связано с углеродом в форме различных углеводородов:

- метановых C_n H_2n+2;

- нафтеновых (насыщенных) C_n H_n;

- бензольных C_n H_2n-6.

Как правило, главной по объёму составной частью природного газа является метан СН₄.

В теплотехнических расчетах количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании объёмной (для газообразного) или массовой (для твёрдого или жидкого) единиц топлива, называют теплотворной способностью топлива и обозначают Q, кДж/м³ (или – ΔН, кДж/м³) .

В приведенных выше примерах показано, что в тех случаях, когда при сгорании водорода (а также его соединений) с другими элементами образуется вода, то теплотворная способность топлива Q, кДж/м³ или кДж/кг, зависит от состояния полученной воды. Если температура продуктов сгорания ниже 100 ^оС (гипотетический случай), то теплотворная способность достигает максимума и называется высшей Q_B. При температуре продуктов сгорания выше 100 ^оС часть выделяемой при горении теплоты расходуется на соответствующий подогрев воды до 100 ^оС, сообщение ей скрытой теплоты парообразования 2253 кДж/кг и перегрев полученного водяного пара. Поэтому в нашем распоряжении остаётся низшая теплотворная способность Q_H, заметно отличающаяся от высшей Q_B. Кроме того, любое топливо в той или иной степени содержит влагу W, кг/м³ или кг/кг, которую тоже нужно нагревать, испарять и перегревать полученный водяной пар. Отсюда для практических расчётов имеем, кДж/кг твёрдого или жидкого топлива и кДж/м3 газообразного топлива,

,

где W и H – содержание влаги и водорода в топливе, в процентах по

массе или объёму или соответственно.

При рассмотрении процессов горения топлива учитывают состояние топлива. Так, различают:

- рабочее топливо, то есть топливо в том состоянии, в котором оно непосредственно сжигается;

- сухое топливо, лишенное влаги, например высушиванием или теоретически – пересчётом состава влажного топлива на топливо сухое.

Состояние топлива и все величины, его характеризующие, принято отмечать подстрочными индексами, например:

– низшая теплотворная способность рабочего топлива;

H^C – содержание водорода в сухом топливе;

– высшая теплотворная способность сухого топлива;

CO^P; CH^P₄ – содержание монооксида углерода и метана в рабочем топливе соответственно.

Расчёт горения топлива. Цели расчета заключаются в том, чтобы определить:

- теплотворную способность топлива;

- количество кислорода и воздуха, необходимые для полного сгорания топлива;

- объём и состав продуктов сгорания топлива;

- температуру горения топлива.

Наиболее точно количество воздуха L_o, теоретически необходимое для полного сгорания единицы газообразного топлива, определяют по формуле, м³/м³:

где

Практически вводят количество воздуха L_п, отличающееся от теоретически необходимого L_o и превышающее последнее L_п > L_о, м³/м³. При этом L_П / L_о = К называют коэффициентом расхода воздуха (в литературе прежних лет выпуска – коэффициентом избытка воздуха ). Избыток воздуха, и следовательно - кислорода, поступающего в зону горения топлива, необходим для гарантии полноты сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи, а также – для интенсификации самого процесса горения. Недостаток воздуха или некачественное перемешивание топлива с воздухом вызывают появление СО в отходящих газах, что вредит экологии и приводит к перерасходу топлива.

При сжигании газообразного топлива в промышленных печах коэффициент расхода воздуха при использовании так называемых беспламенных горелок с предварительным смешением горючего газа с воздухом поддерживают в пределах К = 1,02…1,05.

При работе с обычными – пламенными горелками, рассчитанными на смешение горючего газа с воздухом после истечения из горелки в рабочее пространство печи, коэффициент расхода воздуха обычно составляет К = 1,10…1,15.

Лишь в особых случаях – печах для химико-термической обработки металлов (например газовой цементации) режим горения топлива поддерживается при недостатке воздуха для полного сгорания горючих компонентов топлива (L_П < L₀; К < 1). При этом достигается полное отсутствие кислорода в газовой среде, заполняющей рабочее пространство печи. Вместе с тем, в этой среде СО, СО₂ способствуют определенному науглероживанию поверхности стальных изделий, находящихся в той же печи.

Объём компонентов продуктов полного сгорания составляет, м³/м³

где N₂^P – содержание азота в природном газе, %.

Суммарный действительный объём V_д продуктов сгорания топлива (дымовых газов), в отличие от теоретического V₀ при К=1, составляет м³ / м³

V_д = V_CO2 + V_H2O + V_SО2 + V_O2 + V_N2.

Из этих данных определяют значение температуры горения топлива.

Расчётная и действительная температуры горения топлива. Теоретическая температура горения, зависящая как от тепловых свойств топлива, так и от условии его сжигания, может быть определена по формуле,°С:

^,

где Q_ф – физическая теплота, вносимая с подогретым воздухом, кДж/м³

Q_ф= L_п·c_в· t_в·10 ^-3;

с_в – средняя теплоемкость воздуха, кДж / (м³·град);

t_в - температура подогрева воздуха, °С;

Q_П - потери теплоты от недожога топлива, МДж/м³ (ориентировочно мож но принять Q_П ≈ 0,03 ) ;

V_д - объем продуктов сгорания, м³/м³ при коэффициенте расхода воздуха К ≥ 1.

Теоретическая температура горения топлива (t_к°С) может быть также определена по энтальпии продуктов сгорания (дымовых газов) i_дым, кДж/м³,

^,

^{как это будет показано в расчёте курсового проекта.}

Из формулы теоретической температуры горения t_T топлива следует ряд важных выводов:

1. Значение t_T возрастает с увеличением теплотворной способности топлива .

2. Росту t_T способствует повышение температуры подогрева воздуха t_B.

3. Недожог топлива Q_П ведет к снижению температуры горения топлива.

Практически подобное возможно не только при недостатке воздуха для полного сгорания топлива, но также и в тех случаях, когда пары жидкого топлива или горючий газ в силу каких-либо причин не успевают перемешаться с воздухом в пределах рабочего пространства печи, где совершается основной технологический процесс нагрева материалов или изделий.

4. Температуру горения топлива можно повысить, обогащая воздух кислородом.

Действительно, выход продуктов сгорания V_Д при сжигании топлива в атмосфере обогащенного кислородом воздуха сократится из-за уменьшения содержания азота, который из воздуха целиком переходит в состав дымовых газов. Однако существует определенный предел, до которого можно обогащать воздух кислородом. Объясняется это тем, что с ростом температуры в заметной степени смещается влево равновесие реакций

L_п = L_О + (К -1)L_O что равносильно увеличению Q_П . В результате уменьшается значение числителя формулы для определения температуры горения топлива.

5. На температуру горения существенное влияние оказывает также коэффициент расхода воздуха К = L_п / L_О.

Нетрудно показать, что излишний воздух увеличивает действительный выход продуктов сгорания топлива, так как

Сказанное здесь иллюстрирует рис. 2.1.

Рис. 2.1. Зависимость температуры горения от коэффициента расхода воздуха

Левая ветвь кривой t_Т = f(к) объясняется соотношением t_Т < t_max, где t_max – максимально возможная при данных условиях температура горения, неполнотой сгорания топлива.

Правая ветвь той же кривой отражает эффект t_Т < t_max за счёт разбавления горячих продуктов горения значительно более холодным воздухом.

Для выполнения расчёта процесса горения топлива при различных условиях может быть использована компьютерная программа Р27С, разработанная профессором В.В. Дембовским.

Существует также понятие калориметрической температуры, которую рассчитывают при условиях = 0; Q_П = 0. Эта температура служит оценкой тепловых свойств топлива.

Действительная температура, ^оС

,

где - пирометрический коэффициент ( = 0,65…0,75), учитывающий потери теплоты из зоны горения топлива (через огнеупорную кладку печи, периодически открываемые рабочие окна и проч.), кроме теплоты, уносимой с потоком дымовых газов.

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг / м³ ,

.

Элементы теории горения топлива. Твердое топливо, например кокс (доменные печи, вагранки), контактируя с кислородом воздуха, горит на поверхности кусков и в его порах согласно реакции

С + О₂ = СО₂.

В условиях недостатка кислорода имеет место другая реакция

С + О = 2СО

(неполнота сгорания).

Жидкое топливо (мазут) распыляют с помощью энергии сжатого воздуха или пара до состояния мельчайших капель размером менее 0,01…0,05 мм с помощью форсунок. Это резко увеличивает поверхность топлива, через которую жидкое топливо нагревается в зоне горения, в значительной степени испаряется, а получающиеся пары легких фракций, перемешиваясь с кислородом воздуха, сгорают. Существует также точка зрения, согласно которой горение возможно и в жидкой фазе.

Горение газообразного топлива имеет много общего с горением паров жидкого топлива. В обоих случаях процесс горения протекает через ряд последовательных стадий:

1. Смешение газа или паров жидкого топлива с кислородом воздуха, являющееся самой медленной стадией процессов;

2. Нагрев горючей смеси до температуры воспламенения;

3. Собственно горение топлива, то есть протекание химических реакций реагирования кислорода из подаваемого в печь воздуха с горючими компонентами или элементами топлива с выделением необходимой теплоты.

Согласно учению академика Н. Н. Семенова, Нобелевского лауреата, реакции горения в газовой фазе носят цепной характер, и если мы записываем реакцию, например, горения водорода в виде

,

то это только общая схема, отображающая вид и количество веществ, как вступивших в реакцию, так и полученных в результате протекания этой реакции.

В действительности процесс можно с некоторыми упрощениями описать так. Пусть какое-либо внешнее воздействие, например быстро движущаяся молекула М, квант света или частица космического излучения, сталкиваются с молекулой водорода и расщепляют ее на два атома:

.

Полученные атомы водорода весьма неустойчивы и, следовательно, химически очень активны. Любой из этих радикалов, столкнувшись с молекулой кислорода О₂, расщепляет её и, в свою очередь, присоединяет один из атомов кислорода с образованием гидроксила ОН (крайне химически активного благодаря наличию одной незамещенной связи)

и также активного свободного атома кислорода. Подобные осколки сложных молекул, несущие электрические заряды, называют радикалами.

В результате дальнейших столкновений с другими молекулами имеют место следующие реакции

чем завершается единичный цикл, приводящий к образованию молекул воды и новых активных атомов водорода:

.

В результате один атом водорода порождает три новых свободных атома водорода, которые продолжают действовать по аналогичной схеме, и после трех новых циклов образуется уже активных атомов водорода и так далее. Реакция самоускоряется, мгновенно распространяясь по всему объёму горючей смеси, приобретая взрывной характер. Вот почему этап собственно сгорания газообразного (а практически сходным образом парообразного) топлива оказывается самым коротким во времени по сравнению с этапами перемешивания топлива с воздухом и нагрева горючей смеси до температуры воспламенения.

Различают кинетическое и диффузионное горение газообразного топлива.

Кинетическим называют горение заранее приготовленной смеси горючего газа и окислителя (воздуха). В этом случае полное время процесса сгорания определяется лишь одним фактором – скоростью химических реакций. Такой вид горения имеет место в беспламенных горелках.

В отличие от кинетического, диффузионное горение завершается только после диффундирования в зону пламени достаточного количества кислорода.

При ламинарном истечении струи газа длина пламени, м,

где W₀ – скорость истечения, м/с;

d₀ – диаметр газового сопла, м;

D – коэффициент молекулярной диффузии кислорода, м²/с;

k – эмпирический коэффициент.

В случае турбулентного истечения газа вместо медленной молекулярной диффузии вступает в действие турбулентная (молярная) диффузия кислорода в зону пламени. При этом длина пламени существенно сокращается.

Известно, что продолжительность диффузионного процесса смесеобразования примерно в 100000 раз больше длительности других этапов горения газа. Таким образом, скорость смешения газо- и парообразного топлива с воздухом (точнее, с содержащимся в нем кислородом) определяет скорость сгорания топлива в целом.

На рассмотренном механизме горения топлива может быть объяснен принцип действия различных устройств для сжигания топлива (газовых горелок и форсунок для сжигания жидкого топлива).

Рис. 2.2. Схема беспламенной горелки

На рис. 2.2 представлена схема беспламенной горелки. На подходе к такой горелке заранее формируется горючая смесь газа с воздухом. Эта смесь в направлении, обозначенном стрелками, направляется на поверхность огнеупорного блока, выполненного в форме рефлектора. Поверхность блока, как и многих других огнеупорных материалов, обладает каталитическими свойствами. Благодаря этому смесь практически мгновенно сгорает, а выделяющаяся теплота передается излучением на близлежащие объекты в рабочем пространстве печи. Как отмечалось выше, при таком способе сжигания топлива избыток воздуха минимален, а пламя почти невидимо.

Отметим, что вообще пламя является зоной, где протекают названные выше этапы горения топлива, причем чем медленнее смешиваются топливо и воздух, тем длиннее пламя.

Видимую часть пламени, где в основном совершаются химические реакции горения, называют факелом.

Визуализация факела обусловлена излучением В основном радикалов, так как высокотемпературные продукты сгорания в виде СО, СО₂, Н₂О и др. создают невидимое – инфракрасное излучение, проявляющее себя тепловым воздействием на облучаемые тела. Предварительное смешение горючего газа с воздухом не производится при использовании пламенных горелок, работающих как на высоком, так и на низком давлении газа.

Рис. 2.3. Пример схемы пламенной горелки

В одной из конструкций (рис. 2.3), известной под названием горелки типа «труба в трубе», по центральному каналу подводится топливо, а по периферии – воздух. Их смешение происходит после истечения в рабочее пространство печи, где происходит нагрев материалов или изделий. Поэтому на выходе из горелки отчетливо виден факел пламени.

Рис. 2.4. Инжекционная горелка

Более совершенная конструкция – инжекционная горелка (рис. 2.4) отличается тем, что горючий газ (канал 1) подается под большим давлением, чем воздух (канал 2). Это обеспечивает возможность инжектирующим действием струи газа приводить в движение воздух, нагреваемый в рекуператорах, за счёт теплоты отходящих продуктов сгорания

топлива. Если же подогрев воздуха не производится (в печах устаревших конструкций) то через канал 2 струей горючего газа подсасывается атмосферный воздух.

Требуемое соотношение расходов воздуха и топлива согласно оптимальному коэффициенту расхода воздуха регулируют с помощью дроссельных заслонок, устанавливаемых в воздухопроводах, что производят вручную или – в более прогрессивных решениях – автоматически.

Потоки газа и воздуха направляются в диффузор 3 для предварительного их перемешивания с целью ограничить длину факела во избежание местного перегрева нагреваемых объектов. Устье горелки 4 охлаждается проточной водой. Процесс горения топлива начинается в нишах 5, располагаемых в нижней части кладки стен печи.

С целью обеспечения возможно более равномерного температурного поля рабочего пространства печи, каждая нагревательная или термическая печь оборудуется некоторым множеством горелок, количество которых назначается из конструктивных соображений.

Каждая горелка крепится на кронштейне 6 (рис. 2.4). В сталеплавильном производстве на электродуговых печах устанавливают дополнительные источники тепловой мощности в виде газокислородных горелок.