title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Основные свойства топлива металлургических печей

Основные свойства топлива металлургических печей

Топливо представляет собой углеродистые соединения различных сочетаний и является главнейшим источником получения тепловой энергии. Топливо имеет большое значение в металлургии и часто расход его определяет себестоимость извлекаемого металла.
По агрегатному (физическому) состоянию топливо бывает твердое, жидкое и газообразное. Каждое из этих видов топлива подразделяют на естественные, используемые в таком виде, в каком оно находится в природе, и переработанное — искусственное, т. е. полученное в промышленности тем или иным путем из природного топлива.
К топливу естественному относятся дрова, торф, каменный и бурый угли, сланцы, нефть, газ. К искусственному топливу относятся кокс, древесный уголь, мазут, бензин, керосин, а также горючие газы: коксовый, доменный и генераторный.
Химический состав топлива. Основными составляющими топлива являются углерод и водород. Углерод и водород в топливе находятся в виде различных соединений. Кроме того, в состав топлива входит кислород O2, азот N, сера S. Помимо перечисленных элементов, в нем присутствуют минеральные включения, образующие золу А, и вода W — негорючая составляющая часть топлива. Важнейшая составляющая часть топлива — углерод, содержание которого достигает 85—90%. Зола, азот, кислород и связанные с ним водород и вода являются балластом и чем их больше, тем ниже качество топлива. В топливе сера может содержаться в трех разновидностях: 1) органическая Sор, связанная с горючими элементами топлива; 2) колчеданная Sк в виде пирита, колчедана FeS2; 3) сульфатная Sсф в виде солей серной кислоты, например гипса CaSO4, соли железа FeSO4. Общее содержание трех разновидностей серы принято обозначать при анализах топлива Sобщ. Первые две разновидности серы участвуют в процессе горения топлива с выделением тепла и их принято называть летучей серой Sл. Сера сульфатная в процессе горения не участвует. В твердом топливе различают влагу внешнюю Wв, удаляемую при естественной сушке без значительного нагрева топлива, и внутреннюю или гигроскопическую Wгигр, которая удаляется при нагревании выше 100° С. Топливо, содержащее только гигроскопическую влагу, называется воздушно-сухим. В состав золы входят окислы (например, SiO2) и сульфаты металлов (CaSO4, FeSO4). Иногда в золе некоторых углей встречаются редкие элементы, например ванадий, германий. Каков бы ни был состав золы, она снижает качество топлива.
Элементарный состав топлива и формулы пересчета. Обычно при химических анализах твердого и жидкого топлива каждый элемент определяют отдельно в процентах по массе; также отдельно определяют содержание в топливе минеральных веществ в виде золы А и воды W. Таким образом имеем, %:

Эту совокупность принято называть элементарным анализом топлива, она характеризует состав «рабочего» топлива, применяемого в промышленности. Для сравнения и классификации разных видов топлива часто пересчитывают их анализ на беззольную и безвлажную массу. Эту беззольную и безвлажную массу принято называть условно горючей массой. Принято также пересчитывать элементарный состав топлива на условно органическую массу. Она определяется пересчетом топлива на беззольное, безвлажное и бессерниетое.
При записи результатов анализа топлива в том или ином его состоянии пользуются индексами, например Cо обозначает содержание углерода в органической массе топлива, Kг — содержание водорода в горючей массе, Aс — содержание золы в сухой массе и Wр — содержание влаги в рабочем топливе и т. д.
При анализе газообразного топлива состав его выражают в объемных процентах по отдельным химическим соединениям, составляющим топливо. Определяют содержание в газообразном топливе окиси углерода CO, метана CH4, этилена C2H4, сероводорода H2S и т. п.
Результаты анализа показывают содержание в газообразной смеси, %:

Количество азота N2 определяют по разности, содержание влаги в газообразном топливе определяют отдельно и выражают в граммах и на кубометр газа в нормальных условиях. Если состав сухого газа будет, %:

то состав влажного газа в процентах при содержании в нем влаги при нормальных условиях W, г/м3, можно определить по следующим выражениям, %:

Теплотворность топлива. При сжигании топлива выделяется тепло, количество которого зависит от состава топлива. Количество тепла, которое выделяется при полном сжигании единицы данного топлива, называется его теплотворностью (теплотворной способностью).
Единица измерения твердого и жидкого топлива 1 кг, газообразного 1 м3 (в нормальных условиях, т. е. кубический метр при 0° и давлении 760 мм рт. ст.). Теплотворность выражается для твердого и жидкого топлива в килоджоулях на килограмм и для газообразного в килоджоулях на кубометр. Теплотворность обычно обозначают символом Q.
При сжигании 1 кг углерода в CO2 выделяется 32763 кДж. Следовательно, теплотворность углерода Q = 32763 кДж. Различают высшую и низшую теплотворность топлива. Теплотворность, определенная без учета потерь тепла на испарение воды, содержащейся в топливе, называется высшей Qвр а с учетом этих потерь — низшей QS. При сжигании топлива в промышленности приходится иметь дело с низшей теплотворностью, так как при сжигании топлива водяной пар не конденсируется и уносится с продуктами сгорания. Теплотворность твердого и жидкого топлива определяют опытным путем или расчетом по формуле Д. И. Менделеева кДж/кг:

Для сравнения теплотворности разных видов топлива введено понятие условного топлива; за условное принято топливо, обладающее теплотворностью 29310 кДж/кг. Расход жидкого, твердого и газообразного топлива в металлургии часто определяется в условном топливе. Если топливо, например, имеет теплотворность 26920 кДж/кг, то оно соответствует 26920 : 29310 = 0,92 кг условного. Полученная величина 0,92 называется калорийным эквивалентом. Помножив калорийный эквивалент любого топлива на 29310, получим его теплотворную способность.
Горение топлива. Горением называют процесс окисления, соединения кислорода с горючими элементами топлива, сопровождающийся выделением тепла. При полном горении топлива углерод и водород, входящие в его состав, соединяясь с кислородом (окисляясь), образуют углекислый газ и воду:
Основные свойства топлива металлургических печей

Если не хватает кислорода для горения, полного сгорания не происходит и наряду с углекислым газом CO2 образуется окись углерода CO (например, С + 0,5О2 = CO). Раскаленные частицы несгоревшего углерода образуют яркокоптящее пламя. Эти частицы и окись углерода уносят с дымовыми газами часть несгоревшего углерода. Если дать избыточное количество воздуха, чтобы полнее сжечь топливо, то выделение коптящего пламени прекратится, но потери тепла могут возрастать за счет подогрева дополнительного количества воздуха, который, уходя горячим в трубу, будет уносить часть тепла. Поэтому при сжигании (горении) топлива необходимо соблюдать правильное соотношение между количеством топлива и поступающим для горения в печь воздухом, обеспечивая также хорошее их смешивание.
Минимальное количество воздуха, необходимое по расчету для полного сжигания единицы топлива, согласно уравнениям горения горючих составляющих топлива, носит название теоретического расхода воздуха. Практически для полного сгорания топлива требуется подвод воздуха в количестве, превышающем теоретически необходимое, так как трудно добиться идеального смешивания воздуха с топливом. Отношение практического расхода топлива к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается а.
Значение а для разных видов топлива приведено ниже:

Если по технологическим условиям требуется неполное горение топлива, то в этом случае коэффициент а может быть меньше единицы (например, а = 0,8—0,9).
Температура горения топлива. Калориметрической температурой горения называется температура tк, которая могла бы быть достигнута при условии, что все тепло от сгорания топлива израсходовано только на нагрев дымовых газов. Калориметрическая температура определяется по формуле

Калориметрическую температуру горения можно повысить, подогревая воздух или обогащая его кислородом.
Действительная температура горения всегда ниже калориметрической, так как во время горения топлива часть тепла теряется через кладку печи в окружающую среду и передается нагреваемой в печи шихте (металлу), кроме того, при высоких температурах происходит разложение (диссоциация) CO2 и H2O (например, CO2 —> CO + 1/2Oа), сопровождающееся поглощением тепла. Обычно tфакт = 0,8tк.
Расчеты горения топлива. Обычно расчеты горения топлива выполняют с целью определения расхода для горения воздуха или обогащенного кислородом дутья, а также количества и состава продуктов горения. Расчеты ведут по данным элементарного состава рабочей массы топлива, используемой непосредственно для сжигания в промышленных печах. Состав сухого воздуха принимают следующий: по объему 21 % O2 и 79% N2; по массе 23,3% O2 и 76,7% N2. Количество азота в воздухе (по объему) в 79 : 21 = 3,762 раза больше количества кислорода или на 1 кмоль кислорода в воздухе приходится 3,762 кмоль азота.
Предполагается, что температура воздуха и образующихся в процессе горения дымовых газов равна 0° С и давлению 10в-5 Па (нормальные условия). Расход воздуха можно определить в объемных единицах и в единицах массы.
Для уяснения методики расчета рассмотрим в качестве примера горение 60 кг углерода и определим теоретический расход воздуха для полного сгорания углерода по реакции С + O2 = CO2.
Молекулярная масса углерода 12, кислорода 16х2 = 32 и образующаяся двуокись углерода CO2 = 12 + 32 = 44. На 12 кг углерода, согласно реакции, требуется 32 кг кислорода, а на 60 кг углерода потребуется кислорода х:

Вместе с этим кислородом поступит в топку азот, кг:

Содержание в воздухе кислорода 23,3%, азота 76,7%, значит, поступит воздуха 160 + 526 = 686 кг.
Так как масса 1 м3 воздуха в нормальных условиях равна 1,29 кг, объем воздуха будет 686 : 1,29 — 530 м3.
Аналогичные расчеты можно провести и в молях. Так как 12 кг С соответствует 1 кмоль, то 60 кг углерода соответствуют 60 : 12 = 5 кмоля.
Согласно реакции С + O2 = CO2, для горения 1 моля С требуется 1 моль O2 и образуется 1 моль CO2, а для горения 5 молей С потребуется соответственно 5 молей O2, при этом образуются 5 молей CO2. Вместе с 5 молями O2 поступит азота:

где 21 и 79 — содержание в объемных процентах кислорода и азота в воздухе.
Всего потребуется воздуха:

где 22,4 м3 — объем 1 кмоля воздуха при нормальных условиях.
Определим теперь количество дымовых газов, получаемых при сгорании 60 кг С. В дымовые газы перейдет образующийся при горении углерода CO2 (5 кмолей) и поступающий с воздухом азот (18,8 кмоля). Всего дымовых газов образуется 5 + 18,8 = 23,8 кмоля или 23,8 х 22,4 = 530 м3 газов.
Для определения массы (кг) дымовых газов необходимо количество молей составляющих газов умножить на 44 и 28 — соответственно молекулярные массы CO2 и N2.
Масса дымовых газов в нашем случае составит, кг:

Применяя обогащенное кислородом дутье, изменяем соотношение между количеством азота и кислорода. В техническом кислороде содержится кислорода 96—98% и азота 4—2%.
Определим для предыдущего примера сгорания 60 кг углерода с применением дутья, содержащего 32% кислорода и 68% азота (в объемных единицах). В обогащенном кислородом дутье отношение количества азота к кислороду уменьшится по сравнению с воздухом и составит 68 : 32 = 2,125.
В этом случае для рассматриваемого выше примера для горения 60 кг углерода требовалось 5 молей кислорода. С этим кислородом поступит азота 5 х 2,125 = 10,625 кмоля. Всего воздуха, обогащенного кислородом до 32%, поступит 5 + 10,625 = 15,625 кмоля, или 15,625 х 22,4 = 350 м3.
Таким образом, при увеличении содержания кислорода в дутье уменьшается полный расход дутья. Согласно химическому составу, к горючим элементам каменного угля относятся, кроме углерода, водород и сера. Поэтому суммарный расход кислорода (воздуха) для горения любого топлива определяют суммированием расходов кислорода, потребного для сжигания каждого из горючих элементов топлива.
Расчеты в молях значительно проще и наглядней, поэтому они широко применяются в металлургических расчетах. Для удобства вычислений расчет горения топлива следует вести, исходя из 100 кг или 100 м3 топлива.

title-icon Подобные новости