Теплотехнические процессы, протекающие в печах

Тепловая энергия, подводимая в печи к обрабатываемому материалу, получается за счет сжигания соответствующего топлива или за счет преобразования электрической энергии в тепловую. При этом часть тепловой энергии расходуется непосредственно на проведение технологического процесса (на нагрев обрабатываемого материала, на его физико-химическое преобразование), а часть затрачивается на компенсацию тепловых потерь (тепло отходящих газов и продуктов, тепло, теряемое через футеровку).

Наибольшее распространение для промышленных печей получило углеводородное топливо (уголь, жидкие углеводороды, углеводородные газы). Твердое топливо в химических отраслях промышленности используется относительно редко. Жидкое и газообразное топливо подразделяются на природное (нефть, природный газ) и искусственное, являющееся продуктом переработки нефти, сланцев и других материалов природного происхождения (мазут, бензин, керосин, сжиженные газы, вторичные газы нефтепереработки и т.д.).

Жидкое топливо

Наибольшее распространение в качестве жидкого топлива получил мазут, являющийся одним из продуктов (в некоторых случаях остатков) нефтепереработки. В соответствии с ГОСТ 10585-63 мазут выпускается шести марок: флотский – Ф5, Ф12, топочный – 40, 100, 200 и для мартеновских печей – МП. Основные усредненные теплотехнические характеристики топочных мазутов приведены в табл. 1 и 2.

В теплотехнических расчетах теплоемкость мазута можно принимать равной 2 кДж/(кг×^оС), коэффициент теплопроводности – 0,13 Вт/(м×^оС), скрытую теплоту испарения – 170 ¸ 250 кДж/кг [1].

Табл.1

Характеристики мазута по ГОСТ 10585-63

Показатели	Нормы по маркам
	Мазут флот-ский Ф5	Мазут флот-ский Ф12	Мазут топочный 40	Мазут топочный 100	Мазут топочный 200	Топливо для мартеновских печей МП
1	2	3	4	5	6	7
Вязкость условная, ^оВУ, не более, при:      50 ^оС              80 ^оС              100 ^оС	5,0 - -	12,0 - -	- 8,0 -	- 15,5 -	- - 6,5¸9,5	- 8,0¸16,0 -
Вязкость динамическая, Па×с/см^2, при:      10 ^оС               0 ^оС	1,7 2,7	- -	- -	- -	- -	- -
Зольность, %, не более	0,1	0,1	0,15	0,15	0,3	0,3
Содержание, %, не более:
механические примеси	0,1	0,15	1,0	2,5	2,5	2,5
вода	1,0	1,0	2,0	2,0	1,0	2,0
сера	2,0	0,8	0,5	Для малосернистого		0,5
			2,0	Для сернистого
			3,5	Для высокосернистого
Коксуемость, %, не менее						12,0
Продолжение табл. 1
1	2	3	4	5	6	7
Температура вспышки, ^оС, не менее, при определении:       в закрытом тигле       в открытом тигле	80 -	90 -	- 90	- 110	- 140	- 110
Температура застывания, ^оС, не выше	-5	-8	+10	+25	+35	+25
Температура застывания, ^оС, (для топлива из высокопарафинистых нефтей), не выше	-	-	+25	+42	+42	-
Низшая теплота сгорания в пересчете на сухое топливо, МДж/кг	41,2	41,2	40,5	40,4	40,2	40,4
		Для малосернистого и сернистого
		40,0	39,7	39,5
		Для высокосернистого
Плотность при 20 ^оС, кг/м^3, не более	-	-			-	1,015

Табл. 2

Состав и расчетные теплотехнические характеристики топочных мазутов [1]

Показатели	Мазут
	Марки 40	Марок 100, 200	В среднем
			Мало-сернистый	Высоко-сернистый
1	2	3	4	5
Горючая масса, %:
C ^r	87,4	87,6	87,8	84,0
H ^r	11,2	10,5	10,7	11,5
S ^r	0,5	0,7¸1	0,7	3,5
N ^r + O ^r	0,9	1,0	0,8	0,5
Коэффициент K ^r	87,58	87,90	88,06	85,48
Характеристика топлива b	0,305	0,290	0,285	0,320
Теоретически необходимое количество воздуха L ^ro, кг/кг	13,90	13,70	13,80	13,80
Максимальное содержание в сухих газах RO2, %	16,00	16,20	16,30	15,80
Объем при нормальных условиях:
сухие газы V ^минc r при a = 1, м^3/кг	10,18	10,06	10,00	10,00
водяные пары в продуктах сгорания V в. п  при a = 1, м^3/кг	1,42	1,35	1,40	1,40
Жаропроизводительность топлива, ^0С	2080	2090	2090	2050

Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, необходимого для обеспечения полного сгорания мазута, рекомендуется принимать в пределах 1,1 ¸1,2. При особо тонком распылении топлива и благоприятных гидродинамических условиях в камере горения коэффициент избытка воздуха может быть принят равным 1,05 ¸1,1.

Мазут может гореть только в определенных условиях, причем горение мазута происходит только в паровой фазе. Поэтому перед сжиганием мазут должен быть испарен. Для обеспечения горения топливо распыляется в топочной камере с помощью форсунок. Чем выше дисперсность распыла (чем меньше диаметр капелек мазута после распыла), тем больше суммарная поверхность образовавшегося ансамбля капелек и тем эффективнее протекает последующий процесс прогрева и испарения капель. Для нормальной работы форсунок топливо должно поступать в эти устройства при постоянном давлении и при температуре, отвечающей оптимальной вязкости. Обычно давление жидкого топлива на входе в форсунку колеблется в пределах 0,2  ¸ 0,5 МПа.

В форсунках смешение топлива с воздухом достигается испарением, распылением и комбинированием первых двух способов. Чаще используется комбинированный способ, при котором распыление и испарение топлива осуществляется подачей в форсунку в качестве распыливающего агента нагретого воздуха или перегретого пара. При распылении топливо рассеивается в виде тумана (ансамбль капель с очень малым диаметром и соответственно с большой суммарной поверхностью). Затраты энергии на распыление жидкости зависят от её вязкости и парциального давления паров жидкости (мазута). Поэтому мазут перед форсункой должен быть нагрет до максимальной температуры, допускаемой условиями эксплуатации и правилами безопасности. Обычно эта температура соответствует точке начала кипения мазута.

Газообразное топливо

Наилучшим видом топлива для использования в печах является газообразное, обладающее в сравнении с твердыми и жидкими видами топлив следующими преимуществами:

· простота регулирования процесса горения при малом коэффициенте избытка воздуха;

· возможность подогрева топлива и воздуха перед сгоранием до высоких температур;

· исключение застывания топлива в подводящих коммуникациях и др.

Чаще всего в качестве топлива используется природный газ, состоящий главным образом из метана. В некоторых случаях в печах используются отходящие газы конкретных технологических процессов (например, сухие газы нефтепереработки). Состав этих газов существенно зависит от вида конкретного технологического процесса. Сжиженные газы (пропан, бутан) используются существенно реже и только в экономически обоснованных случаях.

Основные формулы, используемые при расчете процесса горения газообразного топлива, а также теплотехнические характеристики некоторых газов [1] приведены в табл. 3 ¸ 7.

Табл. 3

Основные расчетные формулы, применяемые при расчете процесса горения газообразного топлива

Определяемая величина		Формулы (номер формулы)  (расшифровка входящих величин)
Теплота сгорания сухого газа, высшая, кДж/м^3		(3.1)
Теплота сгорания сухого газа, низшая, кДж/м^3		(3.2)
Соотношения между высшей и низшей теплотами сгорания		(3.3)
Здесь:	, ,  и т. д. – объемные доли компонентов, входящих в смесь газов, %
Теплота сгорания влажного газа низшая при давлении и температуре, отличных от нормальных, кДж/м^3		(3.4)
Здесь:	– теплота сгорания низшая, кДж/м^3;  – давление насыщенного пара, Па;   – относительная влажность;  – абсолютная температура, равная 273 К
Количество воздуха теоретически необходимого для сгорания, м^3/м^3		(3.5)
Объем продуктов сгорания газа при теоретическом количестве воздуха, м^3/м^3		(3.6)
Здесь:	; ;  – объемы отдельных компонентов в продуктах сгорания 1 м^3 горючего газа, м^3
Объем углекислого газа в продуктах сгорания газа, м^3/м^3		(3.7)
Объем водяных паров в продуктах сгорания газа, м^3/м^3		(3.8)
Здесь:	и - влажность горючего газа и воздуха, г/м^3
Объем азота в продуктах сгорания газа, м^3/м^3		(3.9)
Средняя объемная теплоемкость смеси газов, кДж/(м^3 ^оС)		(3.10)
Здесь:	, , … – содержание отдельных горючих компонентов газовой смеси, объемн. %; , , … – средняя объемная теплоемкость отдельных компонентов смеси, кДж/(м^3 ^оС
Пределы воспламенения смеси газов, верхний и нижний (приближенно, при незначительном содержании балластных примесей), объемн.% газовоздушной смеси		(3.11)
Здесь:	, …  – содержание отдельных горючих компонентов газовой смеси, объемн. %; , …  – содержание отдельных горючих компонентов газовой смеси соответственно при верхнем или нижнем пределах воспламенения, объемн. %
Максимальная скорость распространения пламени горючей газовой смеси, м/с		(3.12)
Здесь:	–  содержание горючего газа в смеси, дающей максимальную скорость распространения пламени, объемн. %; , ,  – максимальная скорость распространения пламени отдельных газов, м/с; , …  – содержание отдельных газов в смеси, дающее .

 

 

Табл. 4

Составы и теплотехнические характеристики природных газов некоторых месторождений

Наименование месторождения	Состав сухого газа*, объемн. %							QН, кДж/м^3	Плотность, кг/м^3
	N2	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	CmHn	CO2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Газовые месторождения
Аргединское	3,10	95,50	1,00	0,20	0,10	-	0,10	35 164	0,78
Газлинское	0,13	98,07	1,60	0,03	0,05	0,05	0,12	36 182	0,73
Дашавское	1,03	98,03	0,30	0,12	0,15	0,15	0,10	35 659	0,73
Елшанское	3,3	94,00	1,20	0,70	0,40	0,20	0,20	35 550	0,73
Ставропольское	0,7	98,7	0,30	0,12	0,06	0,06	0,12	35 550	0,73
Песчано-Уметское	3,0	94,10	0,60	0,30	0,20	0,70	1,10	35 621	0,78
Соколово-Горскоге	3,0	90,60	1,30	0,70	0,50	1,10	2,80	36 153	0,82
Саушинское	1,50	97,80	0,40	0,15	0,15	0,15	0,15	35 471	0,73
Линевское	3,1	91,80	3,0	1,00	0,40	0,50	0,20	36 940	0,79
Шебелинское	0,80	93,40	3,50	0,90	0,61	0,70	0,09	43 258
Продолжение табл. 4
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Нефтяные месторождения
Азнефтедобычи	-	85,0	2,80	-	1,20	-	11,0	33 662	0,89
Грознефти	3,0	49,00	11,00	17,00	15,00	4,00	1,0	63 681	1,41
Дагестаннефти	4,00	75,00	6,80	6,00	6,00	0,20	2,0	44 254	1,00
Прикамнефти	30,00	51,00	6,00	8,00	4,00	0,30	0,7	34 562	1,11
Бугурусланнефти	12,0	71,70	7,00	4,00	3,00	1,50	0,8	40 026	0,98
Мухановского	5,2	42,7	20,0	19,5	9,5	-	0,2	61 325	1,29
Печной газ** (от фосфорных печей)	5,15	-	-	-	-	-	-	11 920	1,2
* Газы не содержат Н2, СО и О2. ** Газ содержит: Н2 – 1,03% и СО – 92,7%

Табл. 5

Характеристика основных реакций, протекающих при горении газообразного топлива

Газ	Реакция	Тепловой эффект реак-ции при 0 ^оС, кДж/м^3
		Q B	Q Н
Водород	H2+0,5O2=H2O	12 760	10 810
Окись углерода	CO+0,5O2=CO2	12 680	12 680
Метан	CH4+2O2=CO2+2H2O	39 792	35 741
Ацетилен	C2H2+2,5O2=2CO2+H2O	58 052	58 052
Этилен	C2H4+3O2=2CO2+2H2O	63 047	59 108
Этан	C2H6+3,5O2=2CO2+3H2O	69 713	63 797
Пропан	C3H8+5O2=3CO2+4H2O	99 219	91 321
Бутан	C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O	128 608	118 736
Сероводород	H2S+1,5O2=SO2+H2O	25 425	23 401

 

Табл. 6

 Основные теплотехнические характеристики природных газов некоторых газовых и нефтяных месторождений

Газ	Теоретический расход воздуха для сжигания   1 м^3 газа, м^3/м^3	Теоретический объем продуктов сгорания    1 м^3 газа, м^3/м^3	Температура сгорания без учета влаги воздуха, ^0С	Максимальное содержание СО2 в сухих продуктах сгорания, объемн. %
Газовые месторождения:
Ставропольское	9,450	10,591	2030	11,8
Елшанское	9,520	10,714	2030	11,8
Дашавское	0,460	10,617	2035	11,8
Газлинское	9,601	10,775	2050	11,8
Шебелинское	11,430	12,773	2060	11,8
Саушинское	9,420	10,365	2030	11,8
Линевское	9,810	11,005	2030	11,8
Нефтяные месторождения:
Туймазинское	12,300	13,895	2175	13,2
Мухановское	16,100	17,600	2080	13,2
Ромашкинское	15,600	17,100	2080	13,2
Шугуровское	9,350	10,779	2190	12,6
Печной газ	2,26	2,852	2280	-

 

Табл. 7

Температура воспламенения и пределы взрываемости смесей различных газов с воздухом

Газ	Температура воспламенения, ^0С	Предел взрываемости смесей при стандартных физических условиях, объемн. %	Предел взрываемости смесей при стандартных физических условиях, объемн. %	Присадка балластного газа, исключающая зажигание смеси, объемн. %
				азота		углекислого газа
		нижний	нижний	в газе	в воздухе	в газе	в  воздухе
Водород	530 -590	4,0	4,0	94,3	75,0	91,1	61,0
Окись углерода	610 - 658	12,5	12,5	80,0	68,0	68,0	53,0
Метан	654 - 690	5,0	5,0	86,0	38,0	77,0	24,0
Этан	530 - 594	3,2	3,2	93,0	46,0	88,0	33,0
Пропан	530 - 588	2,4	2,4	93,7	43,0	89,0	30,0
Бутан	490 - 569	1,9	1,9	94,5	41,0	90,3	28,0
Этилен	540 - 550	2,8	2,8	94,0	50,0	90,5	41,0
Природный	530	4,5	4,5	-	-	-	-
Доменный	530	35,0	35,0	-	-	-	-
Коксовый	300 - 500	7,0	7,0	-	-	-	-
Сланцевый	700	6,1	6,1	-	-	-	-

3.3. Получение тепловой энергии за счет преобразования электрической энергии

Нагрев некоторых твердых и жидких материалов проводится с использованием электрического тока по методу сопротивления. В этом случае обрабатываемый материал непосредственно включается в электрическую цепь (последовательное подключение). При преодолении электрического сопротивления материала в нем выделяется тепло.

Используется также преобразование электрической энергии в тепловую в газовой дуге преимущественно в газовом пространстве, разделяющем электроды, и на концах электродов. При этом могут быть использованы следующие виды нагрева:

· прямой (дуга горит между электродом и расплавом материала);

· косвенный (дуга горит между двумя электродами, а расплав находится на некотором расстоянии от дуги);

· комбинированный (дуга создается между шихтой и погруженным в шихту или расплав электродом);

· нагрев в дуговых плазмотронах (материал помещается в потоке низкотемпературной плазмы).

Наконец, для электропроводящих материалов используется индукционный метод преобразования электрической энергии в тепловую. При этом выделение тепловой энергии происходит за счет индукционных токов, возникающих в расплавленном металле, помещенном в электрическое поле.