Предмет высокотемпературных теплотехнологических установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Курс «высокотемпературные теплотехнологические установки» включает в себя следующие разделы:

§ Классификация печей и общая схема устройства печей;

§ материальный и тепловой баланс печей;

§ используемые топлива и способы их смешения в печах;

§ внутренний и внешний теплообмен в печах;

§ материалы для строительства печей;

§ назначение, общее устройство, принцип действия, тепловой баланс, особенности работы и вопросы энергосбережения наиболее широко используемых типов печей (обжиговых, нагревательных, плавильных, термических, электрических).

§ Регенерация тепла и использование вторичных энергетических ресурсов.

При изучение данного курса необходимо выполнить ряд индивидуальных практических заданий:

1. Определить влияние различных факторов на калориметрическую температуру горения.

2. Определить тепловое состояние цилиндра и пластины в процессе нагрева из холодного состояния.

3. Выбрать материал кладки, изоляции и определить тепловые потери печи заданных размеров.

4. Определить характерные скорости и условия теплообмена в кипящем слое и неподвижном слое.

5. Составить тепловой баланс нагревательной печи и определить расход топлива.

6. Определить эффективность работы термической ванной электропечи, при условии замены футеровки печи.

Краткая история печей

Первая печь, знаменующая начало истории печестроения - это костер первобытного человека, когда огонь поддерживали десятилетиями. По мере развития человечества совершенствовались печные устройства. Люди научились добывать огонь. Первые рукотворные изделия полученные в печах были стекло и обожженный кирпич. Первые признаки этого производства были найдены более 2-х тысяч лет до нашей эры на территории древнего Египта и Южной Монголии. Это были малые горны выложенные из камня и обсыпанные землей. Они применялись для выплавки легкоплавких металлов - меди и олова, позже для получения губчатого железа. В качестве топлива использовались дрова, древесный и каменный уголь.

Постепенно горны совершенствовались и примерно за 1000 лет до нашей эры представляли собой подобие шахты высотой до 3-х метров. Эти печи применялись в основном для получения меди и губчатого железа..

В связи с общим упадком культуры, вызванным завоеванием и разорением Египта и Вавилона, а позже и Римской империи, технология печестроения практически не менялась до середины ХIV века. Развитие ткацкой промышленности, изобретение пороха и создание огнестрельного оружия вызвало бурный рост металлургии. Строительство городов, необходимость освещения помещений дало толчок к массовому производству стекла.

В России первые доменные печи построены в начале 18 века, на Украине - в середине 18 века.

Важнейшим этапом в развитии печного строительства был 19 век. Создание первых паровых машин, железных дорог, станков, новых типов вооружения, металлических судов и т.д. вызвало необходимость резкого увеличения производства чугуна и стали, значительного повышения их качества.

В конце 18 века англичанин Г. Корт изобрел газогенератор. В 1830 году Нейлон в Шотландии применил систему регенеративного подогрева воздуха для доменных печей. В 1857 году Ф. Гофман в Германии построил кольцевую печь для обжига кирпича, а братья Сименс - регенеративную стекловаренную печь. Это были предпосылки создания мощных печей нового типа, с более высоким уровнем температур.

В 1865 году П. Мартен, во Франции, используя способ регенерации братьев Сименс, построил первую мартеновскую сталеплавильную печь. В России такая печь была построена в 1869 году. В 1856 году Г. Бессемер, а в 1878 году С. Томас в Англии осуществили продувку чугуна воздухом и началось развитие конвертерного производства стали. Однако только через 100 лет после внедрения кислородной продувки чугуна, которую применил в Киеве в1937 году советский инженер Н. Мозговой конвертерное производство стали стало доминирующим в металлургии. В 1880 году Э. Сименс в Германии построил первую промышленную электродуговую печь. Вначале ХХ столетия была проведена первая индукционная плавка металла. Знакомые по бытовому применению микроволновые печи впервые появились в 1962 году, а СВЧ печь в 1947 году в США. По мере развития металлургии, развивалось производство огнеупоров, совершенствовалась технология плавки и тепловой обработки материала. Замена угля коксом в доменном производстве, которая произошла в конце ХIХ века дала возможность значительно увеличить производство чугуна и стали. Объем доменных печей в настоящее время достигает 5000 м³, а ее производительность более 2млн. т. чугуна в год.

По выплавке чугуна и стали Украина входит в первую десятку стран мира, опережая такие страны, как Индия, Бразилия, Италия и т.д.

Общие сведения о промышленных печах

В основе многих теплотехнологических процессов лежит тепловая обработка материалов и изделий: нагрев и плавление металлов, обжиг материалов, получение вяжущих материалов (цемент, известь, гипс), получение стекла, термическая переработка топлива и т.д.

Тепловая переработка материалов и изделий осуществляется в технологических или энерготехнологических агрегатах - промышленных печах, где материалам и изделиям придаются определенные свойства, агрегатное состояние, формируют нужный химический состав всего изделия или определенной его части. В процессе высокотемпературной обработки материалов можно получать ценные побочные продукты, сырье и топливо, такие как: доменный газ, коксовый газ, бензолы, аммиак и т.д.

В печах одновременно протекают ряд сложных процессов, таких как: горение топлива, передача тепла на кладку и материал, движение дымовых газов в рабочем пространстве, регенераторах и каналах, экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (с поглощением тепла) реакциями, нагрев тел сложной геометрической формы и т.д.

Источником тепла в печах является топливо: (газы, мазут, кокс и т.д.) и электрическая энергия с разными способами ее преобразования.

У истоков развития теории печей стоят М.В.Ломоносов, который уже в 1763 году опубликовал труд «Первые основания металлургии или рудных дел». В начале XIX века (1822 г.) французский ученый Фурье изложил теорию распространения тепла внутри твердых тел. В XX веке значительный вклад в теорию печей внесли русские ученые В.Е. Грум-Гржимайло, Н.В. Кирпичев, И.Г. Есьман, Н.Е. Скаредов, А.А. Гухман, М.А. Глинков, Б.И.Китаев и др.

В настоящее время теория печей базируется на теории теплообмена, аэромеханики, теории горения, теории тепловых балансов.

Тепловая обработка протекает на определенном температурном уровне, обеспечивающем развитие технологического процесса. Достижение необходимых температур является основным условием развития технологического процесса. Получить высокие температуры, необходимые для плавки металлов, обжига огнеупоров и т.д. не так просто. Не всегда можно достичь высоких температур только за счет химического тепла топлива, при его сжигании.

В высокотемпературных установках, для получения высоких рабочих температур, утилизации тепла уходящих газов и экономии топлива производят подогрев воздуха и низкокалорийного топлива. В некоторых случаях воздух дутья обогащают кислородом, увеличивая его содержание в дутье с 21% (естественное состояние воздуха) до 30ч35% и более. При этом уменьшается содержание балластного азота и значительно повышается температура горения.

В ряде случаев на качество тепловой обработки материала большое влияние оказывает светимость (радиационная способность) факела.

Придание факелу определенных радиационных свойств является вторым условием развития высокотемпературного технологического процесса в пламенных печах.

В ряде случаев в печах требуется поддерживать определенную газовую атмосферу (окислительную, восстановительную, нейтральную). Это позволяет уменьшить потери (угар) материала, увеличить производительность печей и улучшить качество конечного продукта.

Поэтому третьим условием развития технологического процесса является получение определенных свойств факела и газовой атмосферы в печах.

Высокая производительность печей определяется рядом факторов: заменой агрегатов периодического действия, устройствами непрерывного действия, повышением интенсивности теплообменных и массообменных процессов, протекающих в рабочем пространстве печей. Это достигается следующими мероприятиями:

- Повышением температуры в печах за счет сжигания высококалорийного топлива, высокотемпературного подогрева воздуха и низкокалорийного газообразного топлива (до 1200 ⁰С);

- Использование высокоскоростных свойств потока раскаленных газов в печах высокоскоростного нагрева;

- Увеличением светимости факела за счет двухстадийного сжигания высококалорийного топлива или подсветки факела мазутом;

- Увеличением температуры кладки, особенно в печах косвенного нагрева, когда основной тепловой поток попадает на материал с кладки;

- Избыточным давлением в рабочем пространстве печей, что предотвращает подсос окружающего воздуха в печь ( в доменных печах Р_изб?3 бар);

- Использование высокой турбулизации потока (факела) в печах с кипящим слоем.

Общее устройство печи

Рабочее пространство печи, совмещенное с топочным пространством;

Воздухоподогреватель (регенератор, рекуператор);

Котел утилизатор;

Элементы газоочистки;

Дымосос;

Дымовая труба.

В рабочем пространстве печи осуществляется определенный технологический процесс (плавка, нагрев, обжиг и т.д.). В большинстве случаев, в рабочем пространстве, сжигается топливо и выделяется тепло, воспринимаемое материалом и кладкой печи. Нагреваемый материал или готовые изделия могут перемещаться по рабочему пространству печи. Иногда (обжиговые кольцевые печи) могут перемещаться зоны тепловой обработки, а материал неподвижен. Форма и устройство рабочего пространства печи должны обеспечить высокую эффективность передачи тепла на материал или кладку, требуемую производительность печи.

Размеры рабочего пространства зависят от производительности печи и теплового режима ее работы. Нагревательные печи имеют площадь пода до 60 м² и более, длина печей достигает 150 м и более. Для обеспечения работоспособности печи в области высоких температур, внутренние поверхности печей футеруются огнеупорным материалом и в большинстве случаев теплоизолируется. Кладка, в ряде случаев играет решающую роль в процессе лучистого нагрева материалов (печи косвенного нагрева).

Воздухонагреватели (газонагреватели) предназначены для подогрева воздуха или газа перед подачей его в топку. В печах применяются рекуператоры (металлические и керамические) и регенераторы. Подогрев воздуха и газа осуществляется за счет тепла продуктов сгорания уходящих из рабочего пространства печи. Металлические рекуператоры применяются при подогреве воздуха до 500 єС, керамические до 800 єС.

Регенераторы, с огнеупорной насадкой, позволяют подогревать воздух и газ до 1200 єС. Подогрев воздуха и газа существенно повышает температуру горения (что особенно важно в плавильных печах) и снижает расход топлива, соответственно повышая КПД печи.

Котлы утилизаторы (теплоутилизаторы) предназначены для утилизации тепла уходящих из печи газов. При этом получают пар, горячую воду, электрическую энергию которые, как правило, используются в пределах промышленного предприятия для технологических или бытовых целей, отопления и вентиляции. Использование котлов утилизатора повышает экономические показатели теплотехнологической установки.

Элементы газоочистки предназначены для очистки уходящих из рабочего пространства газов от пылеобразных частиц. Особенно большая запыленность наблюдается в плавильных и ферросплавных печах, в нагревательных печах с кипящим слоем и т.д.

Применяют сухой и мокрый способы очистки газов.

К сухому способу очистки газов относят инерционные решетки и циклоны.

К мокрому способу скрубберы и трубы Вентури.

Иногда используют комбинированный способ очистки.

Дымосос предназначен для удаления в атмосферу продуктов сгорания и технологических газов при температуре до 300 єС. При более высокой температуре газов печи, как правило, работают на самотяге и разряжении, которое создается дымовой трубой.

Дымовая труба предназначена для удаления продуктов сгорания и технологических газов в атмосферу. Высота дымовой трубы влияет на самотягу и радиус рассеивания удаляемых газов. Уходящие из печи газы содержат большое количество вредных веществ и пыли. Высокие трубы позволяют уменьшить плотность выпадения вредных веществ за счет большего радиуса их рассеивания.

Некоторые высокотемпературные печи работают под небольшим избыточным давлением 3-5 Па, чтобы избежать подсоса холодного воздуха в высокотемпературную зону печи. Наддув создается дутьевыми вентиляторами, подающими необходимый для горения воздух к горелочным устройствам или под колосники.

Классификация промышленных печей

В основу классификации печей положены общие черты : конструктивные, температурные, технологические и другие.

По роду производства и технологическому назначению различают:

- металлургические печи (доменные, мартеновские, нагревательные колодцы, методические);

- печи машиностроительных заводов (литейные вагранки, нагревательные, кузнечные, термические);

- печи обжига вяжущих веществ (карбид кальция, цемент (клинкер), известь);

- печи обжига керамики.

По форме рабочего пространства:

- камерные;

- многокамерные;

- шахтные;

- кольцевые;

- туннельные;

- барабанные - вращающиеся.

По режимно - организационным признакам:

- печи непрерывного действия;

- печи периодического действия.

По способу теплообмена:

- высокотемпературные радиационные;

- низкотемпературные конвективные;

- с теплообменом в неподвижном конвективном слое, кипящем слое, взвешенном слое.

По способу регенерации тепла:

- регенеративные;

- рекуперативные.

По способу нагрева:

- печи с прямым нагревом;

- печи косвенного нагрева.

По способу преобразования энергии:

- топливные (доменные, мартены, нагревательные печи);

- безтопливные (конвертеры);

- электрические.

Характеристика тепловой работы печей

Температурный режим.

Температура печи представляет собой усредненную величину температурного состояния кладки, материала и газовой среды. Температура печи зависит от ряда факторов - температуры горения и характера потребления тепла данной печи.

Температурный режим - это изменение температуры печи во времени. Печи, температура которых не меняется во времени - называют печами постоянного действия (доменные, методические печи, проходные). Печи, температура которых меняется во времени, называют печами периодического действия. печь плавильный тепловой

Следует учитывать, что температура печи может меняться не только по времени но и по объему.

В камерных печах температура по объему примерно одинакова, в методических, проходных, кольцевых печах она существенно изменяется по длине. Действительная температура в печах существенно ниже расчетной калориметрической и зависит от многих факторов: способа сжигания (слоевой, факельный), способа смешения топлива и воздуха, качества распыла жидкого топлива, присосов холодного воздуха и т.д. Для оценки действительной температуры в печи можно использовать соотношение:

,

где: - действительная температура в печи;

- калориметрическая температура горения топлива;

- пирометрический коэффициент( зависит от конструкции печи, способа сжигания топлива, способа смешения топлива и воздуха) меняется в пределах 0,65ч0,8 (0,65 - диффузионное горение, 0,8 - кинетическое).

Тепловой режим.

Тепловой режим представляет собой изменение тепловой нагрузки во времени и тесно связан с температурным режимом.

Тепловая нагрузка - то количество тепла, которое подают в печь в каждый данный момент времени. Тепловая мощность - это то наибольшее количество тепла, которое печь может нормально (без недожега) усвоить в рабочем пространстве.

Качество работы печи, уровень ее совершенства как теплового агрегата, характеризуется коэффициентом полезного теплоиспользования (К.П.Т.) и коэффициентом использования тепла (К.И.Т.)

,

где - тепло, теряемое соответственно с материалом и шлаком;

- тепло эндотермических и экзотермических реакций;

- химическое тепло топлива;

- физическое тепло воздуха и топлива.

Все величины в данном соотношении берутся или в единицу времени в КВт, если за час кДж/ч. Из приведенного выражения следует, что увеличение подогрева топлива и воздуха, снижение потерь, повышают К.П.Т печи.

Тепловые потери в печах во многом зависят от факторов, связанных с конструкцией печи, поэтому для получения характеристик качества использования топлива и условий его сжигания применяют К.И.Т.

,

- потери тепла с уходящими газами, отнесенные к единице количества топлива кДж/м³(кг).

В реальных условиях К.П.Т. всегда меньше К.И.Т., поэтому еще на этапе проектирования необходимо стремится к сближению этих величин, для чего необходимо добиваться снижения тепловых потерь.

Производительность печей - важнейший показатель, зависящий от многих теплотехнологических и конструктивных факторов.

Обычно различают общую и удельную производительность . Общая производительность характеризует размеры, масштабы агрегата, а удельная характеризует интенсивность работы и служит для оценки качества работы и сравнения печей.

Теплвой баланс и расход топлива.

Тепловой баланс печи составляется, как правило, на этапе проектирования для определения теплотехнических характеристик печи и расхода топлива (электрической мощности).

Тепловой баланс печи состоит из статей прихода и расхода тепла, которые равны между собой.

При составлении теплового баланса должны быть известны: конструкция печи, вид теплоносителя, теплотехнические условия в печи (), производительность, материальный баланс плавки. В конструкции печи должны быть известны: габариты, толщина и материалы кладки , размеры и количество рабочих и смотровых окон, окон загрузки - выгрузки, доля времени в течении которого эти окна могут быть открыты и способ их изоляции.

Все величины, входящие в уравнение теплового баланса берутся в пределах рабочего пространства печи, за один и тот же промежуток времени (с, час), для непрерывно работающих печей и за технологический цикл (нагрев, плавка) - для печей периодического действия.

Если печь оборудована воздухоподогревателями и котлами утилизаторами, тогда типовые тепловые балансы следующие:

- для рабочего пространства печи;

- для рабочего пространства и рекуператора;

- для всей установки с котлом утилизатором.

Общий вид теплового баланса печи следующий:

,

или

;

- подведенное химическое тепло топлива;

- физическое тепло, вносимое воздухом;

- физическое тепло, вносимое топливом;

- тепло, вносимое материалом;

- подвод тепла за счет экзотермического эффекта химических реакций окисления;

- тепло, теряемое с нагретым материалом (расплавом);

- тепло, теряемое с уходящими газами;

- потери тепла с охлаждающей водой;

- потери тепла от химического недожога;

- потери тепла от механического недожога;

- потери тепла с выбиваемыми газами через неплотности печи;

- потери тепла через кладку;

- потери тепла через незакрытые окна;

- эндотермический эффект реакций с поглощение тепла;

- потери тепла на аккумуляцию тепла кладкой (для печей периодического действия), для печей непрерывного действия не учитываются

- потери тепла со шлаком или окалиной;

- потери за счет аккумуляции тепла транспортом печи (тележки, поддоны, конвейеры);

- неучтенные потери печи (невязка).

Статьи приходной части теплового баланса

1. Тепло, полученное в результате сгорания топлива (химическое тепло топлива):

,

где - низшая теплотворная способность топлива, (МДж/м³; МДж/кг)

В - расход топлива часовой или секундный кг/с; м³/с; кг/ч; м³/ч.

2. Тепло вносимое в топку с воздухом дутья - (физическое тепло воздуха), кВт, кДж/ч):

,

где С_в - удельная теплоемкость воздуха при температуре t_в, кДж/кг•К

t_в - температура подогрева воздуха, єС;

V_в.д. - действительный объем воздуха, необходимый для сжигания единицы объема или единицы массы топлива.

3. Тепло, вносимое с топливом в топку Q_ф.т (физическое тепло топлива):

;

С_т - удельная теплоемкость топлива при температуре t_т (кДж/м³•К; кДж/кг•К).

Следует учитывать что высококалорийное газообразное и твердое топливо, как правило, не подогревают.

4.Тепло, вносимое материалами в печь .

В нагревательных, термических, обжиговых печах, где загружается один тип материала можно записать что:

.

- часовой или секундный расход материала (кг/ч, кг/с) загружаемого в печь;

- энтальпия загружаемого материала, ;

- удельная теплоемкость загружаемого материала, ;

- температура загружаемого материала;

В плавильных печах, как правило, загружается многокомпонентная смесь (шихта) и тогда:

- массовый расход каждого компонента (кг/ч, кг/с);

- истинная удельная теплоемкость i- го компонента , ;

- температура i- го компонента при загрузке, (єС);

При загрузке холодных (не нагретых) материалов и изделий в печь, вносимое с материалами тепло мало и его вклад в тепловой баланс можно не учитывать. Однако при загрузке неостывших или подогретых изделий, заливке жидкого чугуна и т.д. эта составная часть баланса тепла может иметь значительный вес.

5. Тепло экзотермических реакций - .

Учитываются все химические реакции идущие с выделением тепла (кроме реакций горения топлива). В нагревательных печах необходимо учитывать тепло, выделяющееся при окислении стали.

При окислении 1 кг стали, в среднем, выделяется 5652 кДж/кг тепла, поэтому можем записать, что

,

а_м - доля угара металла при тепловой обработке:

- для камерных печей а_м=0,01ч0,03

- для проходных печей а_м=0,01ч0,02

- для термических печей а_м=0,0025ч0,005

В целом потери металла, связанные с его угаром, в масштабах страны достигают десятков и даже сотен тысяч тонн.

Статьи расходной части теплового баланса

1. Полезно используемое тепло, расходуемое на нагрев и плавление материалов:

- на нагрев материала

- удельная теплоемкость выгружаемого материала, (кДж/кг•К);

- температура выгружаемого материала (єС);

- на нагрев и плавление

- скрытая теплота плавления материала, (кДж/кг).

В обжиговых, сушильных и плавильных печах значительное количество тепла может расходоваться на испарение влаги, и в этом случае запишем:

W - количество испаряемой из материала влаги (кг/с, кг/ч);

r - скрытая теплота парообразования (кДж/кг).

2. Тепло, теряемое с уходящими газами - .

- действительный объем продуктов сгорания, получаемый при сжигании 1 м³ или 1 кг топлива с учетом присоса воздуха по тракту.

- удельная теплоемкость отходящих из печи газов, (кДж/кг•єС);

- температура отходящих из печи продуктов сгорания, (єС).

Если печь работает под небольшим избыточным давлением, часть газов, с высокой температурой, выбивается через окна и неплотности обмуровки. Если для данной печи задан процент потерь с выбиваемыми газами, то необходимо корректировать объем газов с учетом этих потерь.

3. Потери тепла с выбиваемыми газами для печей, работающих под избыточным давлением - , трудно поддаются расчету через неопределенность в определении живого сечения, через которое проходят газы. В процессе эксплуатации величина этих потерь увеличивается и может достигать 5% прихода тепла с топливом. Как правило, задаются средним показателем потерь с выбиваемыми газами 2% и тогда

Для печей работающих под разрежением эти потери можно не учитывать.

4. Потери тепла с охлаждающей водой - , в некоторых печах достигают значительных величин, до 15% всего прихода тепла. В процессе эксплуатации, потери с охлаждающей водой, значительно возрастают, в связи с разрушением элементов тепловой изоляции водоохлаждаемых поверхностей. Если известны поверхность теплообмена и условия теплообмена, то величину потерь с охлаждающей водой можно определить по уравнению теплопередачи для плоской или цилиндрической стенки

или по уравнению теплового баланса

- коэффициент теплопередачи, (Вт/(м²К));

- средняя температура печи (отдельной камеры печи), (єС);

- средняя температура воды в водоохлаждаемых элементах

G_в - массовый расход воды через водоохлаждаемый элемент;

С_в - удельная массовая теплоемкость воды;

t^”_в - температура воды на выходе из элемента;

t'_в - температура воды на входе в элемент.

Чтобы предотвратить отложение солей со стороны воды, температуру технической воды на выходе из системы охлаждения принимают не выше 55 єС;

- поверхность водоохлаждаемых элементов, м².

В ряде случаев условия теплообмена, температура сред и качество изоляции на водоохлаждаемых элементах существенно отличаются, тогда расчет проводят для каждого элемента, а результат суммируют.

5. Потери тепла от химического недожега - , оценивают по содержанию в продуктах сгорания СО и Н₂. Практика показывает, что на 1% СО приходится около 0,5% Н₂ с теплотворной способностью смеси кДж/м³. Для печей непрерывного действия, камерного сжигания газообразного топлива и рекуперативным подогревом воздуха, потери от химического недожега невелики. При регенеративном подогреве воздуха и топлива, а также в печах периодического действия эти потери выше, т.к. требуется время на стабилизацию процесса горения при каждом переключении регенератора с режима дутья на режим нагрева насадки и наоборот. Как правило, для каждого типа печи и режима ее работы, задается доля потерь от химического недожега:

,

а - доля СО в уходящих газах.

Как правило, в камерных печах эти потери не превышают 1,5% всего тепла, расходуемого печью.

6. Потери тепла от механического недожега - могут колебаться в широких пределах и оцениваются по количеству не сгоревших компонентов или частиц топлива в продуктах сгорания или золе.

При сжигании твердого топлива . При сжигании газообразного топлива без регенерации (при камерном сжигании можно не учитывать), с регенерацией топлива до 3%, что связано с увеличением утечек газа по тракту системы регенерации и реверсированием потоков воздуха и газа.

7. Потери тепла в окружающую среду:

- через кладку - , определяются по уравнению теплопередачи для каждой поверхности раздельно, а затем суммируются:

где , , - потери через боковые поверхности печей , свод и под соответственно, определяются по уравнению для , ;

К - коэффициент теплопередачи ;

- температура печи, (єС);

- температура окружающей среды, (єС);

- поверхность теплообмена, (м²);

При наличии в печи нескольких камер (зон), которые отличаются температурным уровнем и условиями теплообмена, расчет необходимо вести для каждой камеры (зоны) раздельно.

- Потери тепла в окружающую среду излучением через открытые окна определяется по уравнению

, (кВт)

где С_о- коэффициент излучения абсолютно черного тела равный 5,67 ;

- средняя абсолютная температура печи (зоны печи), К;

- площадь открытого окна, м²;

- коэффициент диафрагмирования, зависящий от размеров окна и толщины кладки (прил._);

- доля времени, в течении которого окно открыто. Для открытых постоянно окон =1.

8. Затраты тепла на аккумуляцию его кладкой

- объем кладки, м³;

- плотность кладки, кг/м³;

- средняя удельная теплоемкость кладки, в интервале температур (кДж/кг•єС);

- конечная средняя температура кладки;

- начальная средняя температура клаки;

Если кладка печи остывает не равномерно (по зонам), то расчет необходимо вести для каждой зоны отдельно.

Этот вид потерь необходимо учитывать в печах периодического действия, где существенно изменяется температура кладки в режимах нагрев-остывание.

Тепловой баланс таких печей составляется на один цикл их работы, а не на единицу времени.

9.Потери тепла со шлаками (окалиной) -

где - расход шлака или окалины, (кг/ч, кг/с);

- удельная теплоемкость шлака (окалины) при температуре t_шл.;

- температура шлака (окалины) удаляемого из печи.

Если из печи удаляется шлак (окалина) в виде расплава, то необходимо учитывать скрытую теплоту его плавления, и тогда:

, - удельная теплоемкость расплава и его температура;

- скрытая теплота плавления , (кДж/кг).

10.Потери от эндотермического эффекта реакций в основном характерны для плавильных и обжиговых печей и зависят от типа химических реакций и массы реагирующих компонентов. Для нагревательных печей реакции с поглощением тепла проходят в период диссоциации газообразного топлива и продуктов сгорания. Величина этих потерь, как правило, задается до 2% от Q_x.т ,для плавильных и обжиговых печей может достигать 50% и более.

11.Потери тепла на нагрев тары и транспортных средств - , (кДж/ч)

где - - масса тары, тележки (кг/час);

- удельная теплоемкость нагретой тары, (кДж/кгєС);

- температура выгружаемой из печи тары, (єС);

- удельная теплоемкость загружаемой тары, (кДж/кгєС);

- температура загружаемой тары, (єС);

12.Неучтенные потери Q_н.у.. Как правило, или задаются в зависимости от ряда статей расхода тепла

, (кДж/ч; кВт).

Просуммировав отдельно приходные и расходные статьи теплового баланса , получим уравнение с одним неизвестным, которым является расход топлива В . Зная расход топлива В, можно окончательно определить все статьи приходной и расходной части теплового баланса.

Для сравнения качества работы однотипных печей пользуются удельными показателями расхода тепла и топлива.

- удельный расход топлива, (кДж/кг);

- общая тепловая мощность печи, (МВт);

- секундный расход материала, (кг/с);

- удельный расход топлива, (кг/кг, м³/кг);

В - секундный расход топлива, (кг/с, м³/с);

Для сравнения показателей работы печей работающих на разном топливе вводят сравнительные показатели, пересчитанные на условное топливо

- теплотворная способность используемого топлива, (кДж/кг, кДж/м³);

29330 - принятая теплотворная способность условного топлива.

Топливо и его горение

Для получения тепловой энергии в печах используют различные виды топлива, которые классифицируют по происхождению и агрегатному состоянию.

Общую классификацию топлив можно представить в виде таблицы.

Агрегатное состояние топлива	Предисловие
	естественное	искусственное
Твердое	Дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрациты, горючие сланцы	Древесный уголь, кокс, угольная пыль
Жидкое	нефть	Бензин, керосин, мазут, спирт, каменноугольная смола и др.
Газообразное	Природный газ	Коксовый, доменный, светильный, генераторный, водяной, конверторный газы, газ ферросплавных печей

Следует учитывать, что в печах используются не все из указанных в таблице видов топлив. В основном в печах применяется :

Кокс - в доменных печах, кузнечных цехах; природный газ - в нагревательных и плавильных печах; коксовый, доменный, генераторный, конвертерный газ и газы ферросплавных печей - могут использоваться в нагревательных, плавильных, коксовых печах, заводских ТЭЦ, котлах-утилизаторах и для других нужд.

Свойства топлива, в значительной степени, зависят от его химического состава. Основными горючими составляющими всех топлив являются углерод (С), водород (Н) или их производные, а также сера.

В топливе различают:

- органическую массу:

;

- горючую массу:

;

- сухую массу:

;

- рабочую массу:

,

где - содержание золы в топливе;

- содержание влаги в топливе.

При сжигании топлива выделяется тепловая энергия, количество которой зависит от химического состава топлива.

Количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 кг и 1 м топлива - называют теплотой сгорания топлива (теплотворная способность топлива). Различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива.

Количество тепла выделяемое при сжигании единицы массы (1 кг) или единицы объема (1 м) топлива без учета тепла расходуемого на испарение влаги топлива - называют высшей теплотворной способностью .

Низшая теплотворная способность учитывает тепло, расходуемое на испарение влаги топлива и это тепло удаляется с продуктами сгорания.

В практических расчетах пользуются величиной низшей теплотворной способности, которая больше соответствует действительному положению дел, так как при сжигании топлива водяные пары уносятся с продуктами сгорания.

В инженерной практике теплоту сгорания топлива определяют расчетным путем по элементарному составу топлива.

Теплотворную способность жидкого и твердого топлива определяют по формуле Д. И. Менделеева

=338+1252-109(-) - 25(+9), кДЖ/кг

Теплотворную способность газообразного топлива определяют по формуле:

=127,7СО+108Н₂+358СН₄+590С₂Н₄+555С₂Н₂+636С₂Н₆+913С₃Н₈+1185С₄Н₁₀+ +1465С₅Н₁₂+234Н₂S

Для сравнивания качественных показателей использования различных топлив введено понятие условного топлива.

Условным топливом называется топливо с теплотворной способностью 29,3 МДж/кг (7000 ).

Для перевода заданного топлива в условное можно применить формулу:

В_усл = , кг усл. т.

Основы теории горения

Горение - это интенсивное окисление горючих составляющих топлива с выделением тепла. Как правило, окислитель - кислород воздуха. В некоторых случаях в воздух дутья добавляют технический кислород до 35% от объема воздуха.

Для обеспечения процесса горения необходимо обеспечить эффективное смешение топлива и воздуха, т.е. процесс смесеобразования всегда предшествует процессу горения.

С повышением температуры скорость реакции окисления увеличивается. С достижением температуры воспламенения скорость окислительных реакций резко возрастает и процесс окисления переходит непосредственно в горение.

Температура воспламенения некоторых топлив в воздухе при атмосферном давлении:

водород (Н₂) - 530 С

метан (СН₄) - 645 С

угарный газ (СО) - 610 С

кокс (С) - 900 С

мазут (С) - 300 ч 350 С

Необходимо также учитывать, что газовоздушные смеси имеют верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения.

Движение газовоздушной смеси и интенсивное перемешивание (турбулизация) способствует значительному ускорению горения. Полная длительность протекания процесса горения складывается из длительности смесеобразования _см и непосредственно самого горения _гор. Процесс смешения топлива с воздухом (окислителем) более длительный, чем сам процесс горения, который определяется скоростью протекания химических реакций.

В зависимости от способа подачи газа и воздуха в топку печи, а также условий их смешения, возможны диффузионный, кинетический и смешанный принципы организации процессов горения.

При диффузионном сгорании топлива происходит раздельная малоинтенсивная подача топлива и воздуха в топку. Определяющим фактором горения является скорость смешения топлива с воздухом, который может протекать в ламинарном или турбулентном режиме. При ламинарной диффузии процесс смешения затягивается, что приводит к снижению температуры ядра факела. При турбулентной - происходит интенсивное перемешивание масс воздуха и топлива, время смешивания сокращается, температура ядра факела растет. При внешнем смесеобразовании получают длинный факел максимальной светимости, температура подогрева воздуха, в этом случае, не ограничена.

При кинетическом горении процесс смесеобразования происходит в пределах горелочных устройств и в топку подается готовая газовоздушная смесь. Процесс горения определяется, в этом случае, скоростью протекания реакций. При организации кинетического горения температура ядра факела будет максимально возможная, для данного топлива и условий смесеобразования и максимально приближенная к калориметрической температуре .

При кинетическом сжигании топлива получают короткий, мало светящийся факел.

При смешанном принципе сжигания часть воздуха (первичный воздух) подается в горелочное устройство, для предварительного смесеобразования с топливом, остальной (вторичный воздух), необходимый для горения, подается непосредственно в топку. При этом образуется два фронта горения: кинетический и диффузионный. Полное сгорание топлива в этом случае определяется скоростью диффузионного этапа горения.

Необходимо отметить особенности сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.

Процессы горения топлива можно разделить на гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение происходит в объеме однородной газовоздушной смеси, т.е. когда топливо и воздух находятся в одном агрегатном состоянии. В этом случае молекулы топлива и воздуха равномерно можно распределить в объеме факела.

Гетерогенное горение происходит на поверхности частиц жидкого и твердого топлива. Топливо и окислитель находятся в разном агрегатном состоянии, а сам процесс горения условно можно разделить на три этапа:

1. прогрев частицы,

2. испарение, выход и воспламенение летучих,

3. горение коксового остатка.

Чем меньше диаметр капли или размер твердой частицы, тем быстрее проходят все эти три этапа и тем большая эффективная поверхность контакта частиц и воздуха.

Расчет горения топлива

При сжигании топлива в промышленных печах в качестве окислителя используется кислород воздуха, где его содержание около 21%. В некоторых случаях, с целью уменьшения балластного азота и повышения температуры факела, дутьевой воздух обогащают кислородом до 35% от объема дутья.

В процессе горения образуются продукты сгорания, которые необходимо удалять и развивается температура, обеспечивающая необходимый технологический процесс.

Поэтому расчеты процесса горения топлива обычно выполняют с целью определения:

- количества, необходимого для горения, воздуха или обогащенного кислородом дутья;

- количества и состава продуктов сгорания;

- температуры горения.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания жидкого, твердого и газообразного топлива рассчитывается по химическим реакциям горения.

Для жидкого и твердого топлива:

, м/кг

Для газообразного:

, м/ м

Если в воздухе дутья содержание кислорода отличается от среднего 21%, то в знаменателе указывается действительный процент содержания кислорода в дутье.

В реальных условиях, для обеспечения полноты сжигания топлива, в топку подается избыточное количество воздуха, по сравнению с теоретически необходимым:

,

- коэффициент избытка воздуха.

При сжигании любого топлива существует оптимальная величина коэффициента избытка воздуха.

При факельном способе сжигания: газообразного топлива,

жидкого и твердого топлива, .

При слоевом способе сжигания может быть значительно выше.

Подача избыточного воздуха позволяет уменьшить потери от химического и механического недожега но несколько уменьшает температуру ядра факела.

При сжигании каждого из топлив образуются продукты сгорания, объем которых зависит от химического состава топлив.

Для твердых и жидких топлив объемы продуктов сгорания определяются по следующим соотношениям:

и тогда суммарное количество продуктов сгорания будет:

При сжигании газообразного топлива образуется следующий объем продуктов сгорания:

Парциальные давления продуктов сгорания в долях:

;

;

;

Температура горения топлива

Под температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания в результате сообщения им тепла, выделенного при сжигании топлива.

Различают калориметрическую, теоретическую, пирометрическую (действительную) температуры.

Калориметрической называют такую температуру, которую приобрели бы продукты полного сгорания топлива, при любом значении коэффициента избытка воздуха, при условии что все тепло, выделившееся при горении, расходуется только на повышение температуры продуктов сгорания.

, °С

- сумма произведений объемов газов составляющих продукты горения (в расчете на единицу массы или объема топлива, 1кг, 1 м³) на их среднюю теплоемкость.

Теоретическая температура, в отличии от калориметрической, учитывает эндотермические реакции диссоциации СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания. Это связано с тем, что в области высоких температур (более 1000 °С) эти реакции получают значительное развитие

,

где Q_дис - тепло диссоциации продуктов горения.

С ростом робочих температур величина Q_дис увеличивается, достигая в высокотемпературных печах 2% и более от . В практических расчетах этой поправкой зачастую пренебрегают и считают теоретическую температуру близкой к калориметрической.

Пирометрическая () - это температура, которая устанавливается в рабочем пространстве печи. Для оценки этой температуры введено понятие пирометрический коэффициент.

.

Величина этого коэффициента зависит от множества факторов: рабочей температуры печи, условий и качества смешения топлива и воздуха, давления в печи, способа сжигания топлива и др. Величина этого коэффициента колеблется в пределах .

Необходимо рассмотреть факторы влияющие на температуру горения, исходя из анализа следующей формулы

- где - физическое тепло воздуха и топлива вносимого в топку в расчете на 1 кг или 1 м-³ топлива,

- заданный коэффициент избытка воздуха,

- теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг или 1 м³ топлива.

Анализируя приведенное соотношение видно, что температура горения растет с повышением теплотворной способности топлива, температуры подогрева воздуха и топлива, с уменьшением объема продуктов сгорания. Температура горения уменьшается с увеличением коэффициента избытка воздуха.

Для поддержания максимально возможной температуры горения необходимо обеспечить полноту сжигания топлива, при оптимальном коэффициенте избытка воздуха. Существенно можно повысить температуру горения, если повысить содержание кислорода в воздухе дутья. При этом уменьшается количество балластного азота в продуктах сгорания и соответственно объем самих продуктов сгорания.

Задание №1.

Для заданного топлива определить теоретически необходимый объем воздуха, необходимый для сжигания 1 м³ газообразного топлива, объем продуктов сгорания, калориметрическую температуру горения при:

=1, =1,2 без подогрева воздуха и топлива;вгдеж

при подогреве воздуха до 600 °С, 1200 °С и =1;

при подогреве топлива до 600^о С, 1200^оС и б = 1;

при повышении содержания кислорода в воздухе дутья до 30%. Начальную температуру воздуха принять равной

, °С,

где N - порядковый номер студента в журнале учета.

Топливо выбирается по табл. № согласно своего порядкового номера в журнале учета.

Устройство для сжигания топлива

Устройства для сжигания топлива предназначены для обеспечения безопасной подачи топлива в камеру сжигания , превращения химической энергии топлива в тепловую с максимальной эффективностью, необходимой для осуществления технологических операций в рабочем пространстве печи. Способ сжигания топлива выбирают в зависимости от вида топлива, назначения печи и особенностей технологического процесса.

Горелочные устройства должны обеспечить:

- подвод и смешение между собой в оптимальных соотношениях топлива и воздуха;

- полноту сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи;

- образования факела заданной конфигурации и светимости в рабочем пространстве печи.

Газовые горелки

Для сжигания газообразного топлива в топочных устройствах применяются газовые горелки. В большинстве случаев топочные устройства (камеры сгорания) совмещают с камерой тепловой обработки материала.

Назначение газовой горелки - подготовка и подача газовой или газовоздушной смеси в рабочее (топочное) пространство в заданном направлении; при заданном соотношении газ-воздух; обеспечение воспламенения и горения факела при всех расчетных нагрузках с требуемой интенсивностью; создание факела необходимой длины, объема и излучательной способности; обеспечение полноты сгорания топлива.

Выполнение перечисленных функций возможно только при правильном сочетании горелок с размерами камер сгорания.

Смесеобразование в горелках реализуется следующими способами.

Внешнее смесеобразование - в топочную камеру раздельно подаются топливо и воздух, и смесеобразование происходит в объеме факела. По этому принципу работают длинно-факельные (до 15м) диффузионные горелки.

Преимущества:

- возможность высокотемпературного подогрева воздуха и газа;

- большая длина факела, что особенно важно для плавильных печей.

Недостатки:

- плохое смесеобразование в корне факела, частичная диссоциация топлива, иногда с образованием сажистого углерода;

- больше оптимального коэффициент избытка воздуха, что вызвано необходимостью минимизировать потери от химического и механического недожега;

- практическая невозможность регулирования длины факела без существенного ухудшения процесса смесеобразования и самого горения.

Применяются они в тех случаях, когда требуется распределить тепловыделение по длине рабочего пространства, например в мартеновских, стекловаренных и методических печах.

С частичным предварительным (внутренним) смесеобразованием. Часть воздуха при этом подается через горелку (первичный воздух), остальной воздух необходимый для полного сжигания топлива, подается в зону горения. В целом это горелки с переменной длиной факела, достигающей до 6 метров.

Преимущества:

- возможность регулирования длины факела и его светимости, без существенного снижения качества смешения, за счет изменения подачи первичного и вторичного воздуха;

- возможность высокотемпературного подогрева вторичного воздуха;

- уменьшение коэффициента избытка воздуха, по сравнению с предыдущим случаем, с обеспечением более полного сжигания топлива.

Горелки с полным внутренним смесеобразованием.

Это горелки инжекционные беспламенные.

Беспламенные горелки дают хорошее предварительное смешение топлива с воздухом. Необходимая полнота сгорания обеспечивается при минимальном коэффициенте избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха до оптимального влечет за собой увеличение температуры горения. Поэтому беспламенные горелки для данного вида топлива обеспечивают наивысшую температуру горения.

Беспламенные горелки применяются для сжигания газов с низкой теплотворной способностью в тех случаях, когда объём топки невелик, а также при необходимости интенсивного обогрева. Беспламенные горелки целесообразно применять при сжигании газа, не дающего светящегося пламени.

Предварительное смешение горючего газа и воздуха производится в специальных смесителях перед горелками либо в специальных камерах горелочных устройств.

Наибольшее распространение получили беспламенные инжекционные горелки Стальпроекта . Горючий газ под давлением поступает во входной патрубок 1 и с большой скоростью через сопло 3 попадает в смеситель 4 горелки. Струя газа подхватывает и увлекает за собой необходимый для горения воздух. Он подсасывается из атмосферы через кольцевую щель между воздушной шайбой 2 и смешивающей трубой 4. Газ смешивается с воздухом в месте подсоса. Окончательное перемешивание производится в смешивающей трубе, длина которой должна быть не меньше семи диаметров. В инжекционных горелках количество подсосанного воздуха пропорционально расходу, т.е. в некоторой мере осуществляется процесс саморегулирования расхода воздуха. Инжектирующая сила газовой струи является побудителем движения воздуха, что позволяет отказаться от вентилятора в сети напорных воздухопроводов к горелкам.

В горелках с внутренним смешиванием нужно следить за тем, чтобы скорость горючей смеси превышала скорость распространения пламени, т.е.

- максимальная скорость распространения пламени газо-отводящей смеси без балласта (азота и углекислого газа) для трубы диаметром d = 25 мм.

К₁ - коэффициент учитывающий наличие в горючем газе балласта СО₂ и N₂;

К₂ и К₃ - поправочные коэффициенты учитывающие влияние диаметра трубы и предварительный подогрев смеси, определяются по номограммам [Фил. Стр.42].

К₄ - коэффициент, зависящий от неравномерной скорости газа по сечению трубы (обычно принимают равным 2)

К₀₅ - коэффициент, учитывающий изменение расхода газа к минимальному.

Факел, создаваемый такими горелками, характеризуется относительно низкой излучательной способностью К_и = min. Поэтому, в ряде случаев, создают условия для разогрева кладки, которая обладая высокой степенью черноты е_кл = 0,7ч0,9 , увеличивает косвенную составляющую теплообмена. При этом достигается более равномерный нагрев материала, при достаточно высокой плотности теплового потока.

Устройства для сжигания жидкого топлива (форсунки)

В качестве жидкого топлива в высокотемпературных установках, как правило , используется мазут.

Мазут представляет собой остаток переработки нефти, основным горючим компонентом которого является углерод. Топливный мазут делится на шесть марок М20, 40, 60, 80, 100, 200. С повышением номера марки мазута увеличивается его вязкость, а соответственно и температура его нагрева перед сливом и распылом. Мазуты всех марок в своём составе содержат серу (0,1ч3,5).

Мазутное хозяйство промышленного предприятия довольно громоздкое и энергоёмкое. Схема его показана на рисунке . Для разгрузки цистерны с мазутом сооружаются сливные эстакады 1, оборудованные системой парового разогрева мазута. Мазут сливается с температурой 40-75?С в зависимости от марки мазута.

Хранится мазут в специальных хранилищах ёмкостью 1000 - 5000 м³.

Подача мазута к подогревателям 7 осуществляется через фильтры грубой очистки 5 с температурой 85-95?С. Схема подачи мазута рециркуляционная. На рециркуляцию идёт 50ч100% от расхода мазута на форсунки.

В носике форсунки могут устанавливаться завихрители, позволяющие дополнительно дробить капли.

В высокотемпературных установках используются только малосернистые марки мазута, с содержанием серы до 0,5 %.

Сжигание мазута осуществляется факельным способом с помощью форсунок.

Основные типы форсунок:

1.Механического распыла:

- прямоструйные;

- центробежные.

2. С распыливаемой средой:

- паровые;

- воздушные.

...