Расчет кокса при неполном горении

 

При неполном горении кокса в продуктах горения, кроме появляется . Данный состав газа наблюдается в вагранке: ; .

Для того, чтобы определить состав газа, необходимо найти углерод, переходящий в .

,

если известно количество сухих газов, то можно принимать 20 – 28 %

Примем 0,2

Объем :

Расчет воздуха для горения 1 кг кокса:

Расчет выхода продуктов горения:

Объем дымовых газов:

Состав продуктов горения:

Действительный коэффициент расхода воздуха:

Коэффициент использования кокса при работе на воздухе без подогрева:

,

где энтальпия 1 воздуха

теплота, не выделяемая при химическом недожоге

теплота, не выделяемая при механическом недожоге

 

Расчет расхода воздуха, количества и состава продуктов сгорания природного газа

 

СН₄=96,8% С₄Н₁₀=0,1%

С₂Н₆=0,5% С₅Н₁₂=0,1%

С₃Н₈=0,3% СО₂=0%

N₂=2,2%

 

Содержание влаги в сухом газе

α=1.09

 

Количество H₂O в газе рассчитываем как разницу: 100–∑веществ=2,424

Расход кислорода на горение:

Теоретический расход воздуха:

Действительный расход воздуха:

Объемы отдельных составляющих продуктов сгорания:

Общее количество продуктов сгорания:

Состав продуктов сгорания:

Плотность продуктов сгорания:

Теплота сгорания газа:

Химическая энтальпия продуктов сгорания:

а) без учета химического недожога:

 

б) с учетом химического недожога:

Материальный баланс вагранки

 

Материальный баланс составляется для проверки правильности расчетов. Материальный баланс — закон сохранения масс — суммарная масса поступивших веществ равна массе образовавшихся.

Составим материальный баланс плавки на 100 кг шихты

 

Статьи прихода:

 

Шихта.

Количество металлической шихты принимаем равной 100 кг (). В процессе плавки весь углерод, сера, фосфор, хром, никель полностью перейдут в выплавляемый металл. Часть кремния перейдет в шлак, а 1,7 – в выплавляемый металл. Марганец переходит в шлак , в металл . Железо переходит в шлак , в металл 64,663 .

Количество кислорода для окисления элементов определяется по реакциям:

,

для окисления 1 моля Si требуется 1 моль О₂, а для окисления 0,3 кг Si –

1 кмоль Si – 28 кг 0,3 кг

1 кмоль О₂ – 32 кг 0,343 кг

Содержание кислорода в сухом воздухе составляет 23,2 % по массе, а остальная часть воздуха N₂. Масса азота будет в раз больше чем масса кислорода, т. е. масса азота составит

 

 

1 кмоль Mn – 55 кг 0,6 кг

1 кмоль О₂ – 16 кг 0,175 кг

масса

1 кмоль Fe – 56 кг 0,32 кг

1 кмоль О₂ – 16 кг 0,091 кг

масса

Кокс.

Учитывая подогрев воздуха до температуры , принимаем расход кокса равным 10 % массы металлической шихты, т. е. . При плавке часть углерода кокса переходит в жидкий металл (20 %), т. е. в процессе горения не участвует. В вагранке горит кокса, принимаем, что 50 % углерода кокса переходит в CO₂ и 50 % – в СО ( в СО₂ и в СО).

1 кмоль С – 12 кг 4,4кг

1 кмоль О₂ – 32 кг 11,73кг

масса

1 кмоль С – 12 кг 4,4 кг

1 кмоль О₂ – 16 кг 5,87 кг

масса

1 кмоль Н₂ – 2 кг 0,2 кг

1 кмоль О₂ – 16 кг 1,6 кг

масса

 

Часть серы кокса также не горит, а переходит в жидкий металл (), а остальная часть серы () горит до SO₂. Зола кокса и СаО полностью переходят в шлак.

Природный газ.

СН₄=96,8/22,4=4,32кмоль

СН₄+2O₂=CO₂+2H₂O

СН₄=

O₂=

CO₂=

H₂O=

С₂Н₆=0,5/22,4=0,022кмоль

С₂Н₆+3,5O₂=2CO₂+3H₂O

С₂Н₆=

O₂=

CO₂=

H₂O=

С₃Н₈=0,3/22,4=0,013кмоль

С₃Н₈+5O₂=3CO₂+4H₂O

С₃Н₈=

O₂=

CO₂=

H₂O=

С₄Н₁₀=0,1/22,4=0,0045кмоль

С₄Н₁₀+6,5O₂=4CO₂+5H₂O

С₄Н₁₀=

O₂=

CO₂=

H₂O=

 

С₅Н₁₂=0,1/22,4=0,0045кмоль

С₅Н₁₂+8O₂=5CO₂+6H₂O

С₅Н₁₂=

O₂=

CO₂=

H₂O=

 

Примем, что на 100 кг шихты приходится 30% природного газа и 70% кокса. Сделаем расчет.(таблица 4.2)

 

Разгар футеровки:

.

Итого статьи прихода:

Статьи расхода:

Выплавленный металл.

На 100 кг шихты выплавляется 82,20 кг металла (таблица 4. 2):

Ваграночные газы.

Общее количество образующихся газов 455,933 кг (таблица 4.2):

Шлак.

Образуется из золы кокса, СаО, футеровки, окислов кремния, марганца и железа. Общее количество шлака 19,96 кг (таблица 4. 2): .

Итого статьи расхода:

 

Исходные материалы плавки	Продукты плавки
Материалы	Элементы	Реакции окисления	Воздух	Металл	Шлак	Газообразные продукты
Эл-т	кг	О2,кг	N2,кг	кг	кг	СО2кг	СOкг	SO2кг	Н2Окг	N2,кг
Шихта 100 кг.	С
Si	1,7	Si+O2=SiO2			1,7
Si	0,3		0,343	1,135		0,643					1,135
Mn	2,4	Mn+0,5O2=MnO			2,4
Mn	0,6		0,175	0,579		0,765					0,579
S	0,01				0,01
P	0,007				0,007
Cr
Ni
Fe	64,663	Fe+0,5O2=FeO			64,663
Fe	0,32		0,091	0,301		0,411					0,301
Топливо, кокс, 10 кг	С	4,4	С+О2=СО2	11,73	38,83			16,13				38,83
С	4,4	С+0,5О2=СО	5,87	19,43				10,27			19,43
С	0,6				0,6
Н	0,2	Н2+0,5О2=Н2О	1,6	5,296						1,8	5,296
О	0,02		0,02	0,066							0,066
N	0,03
S	0,495	S+O2=SO2	0,495	1,638					0,99		1,638
S	0,005				0,005
W	0,2									0,2
A	0,2					0,2
CaO	CaO
Футеровка
Природный газ, 100 м3	СН4	69,12	СН4+2O2=CO2+2H2O	276,48	915,15			190,08			155,52	915,15
С2Н6	0,66	С2Н6+3,5O2=2CO2+3H2O	2,464	8,156			1,936			1,188	8,156
С3Н8	0,572	С3Н8+5O2=3CO2+4H2O	2,08	6,885			1,716			0,936	6,885
С4Н10	0,261	С4Н10+6,5O2=4CO2+5H2O	0,96	3,178			0,792			0,405	3,178
С5Н12	0,324	С5Н12+8O2=5CO2+6H2O	1,152	3,813			0,99			0,486	3,813
СО2
N2	0,098										0,098
H2O	1,3									1,3

Таблица 4.1 Расчет материального баланса

 

 

Таблица 4.2 Расчет материального баланса

Исходные материалы плавки	Продукты плавки
Материалы	Элементы	Реакции окисления	Воздух	Металл	Шлак	Газообразные продукты
Эл-т	кг	О2,кг	N2,кг	кг	кг	СО2кг	СOкг	SO2кг	Н2Окг	N2,кг
Шихта 100 кг.	С
Si	1,7	Si+O2=SiO2			1,7
Si	0,3		0,343	1,135		0,643					1,135
Mn	2,4	Mn+0,5O2=MnO			2,4
Mn	0,6		0,175	0,579		0,765					0,579
S	0,01				0,01
P	0,007				0,007
Cr
Ni
Fe	64,663	Fe+0,5O2=FeO			64,663
Fe	0,32		0,091	0,301		0,411					0,301
Топливо, кокс, 7кг	С	3,08	С+О2=СО2	8,211	27,181			11,29				27,181
С	3,08	С+0,5О2=СО	4,109	13,601				7,189			13,601
С	0,42				0,42
Н	0,14	Н2+0,5О2=Н2О	1,12	3,707						1,26	3,707
О	0,014		0,014	0,0462							0,0462
N	0,021										0,021
S	0,347	S+O2=SO2	0,347	1,15					0,694		1,15
S	0,0035				0,0035
W	0,14									0,14
A	0,14					0,14
CaO	CaO
Футеровка
Природный газ,30 м3	СН4	20,74	СН4+2O2=CO2+2H2O	82,94	274,5			57,02			46,66	274,5
С2Н6	0,198	С2Н6+3,5O2=2CO2+3H2O	1,725	2,45			0,58			0,356	2,45
С3Н8	0,172	С3Н8+5O2=3CO2+4H2O	0,624	2,07			0,51			0,281	2,07
С4Н10	0,08	С4Н10+6,5O2=4CO2+5H2O	0,288	0,95			0,24			0,122	0,95
С5Н12	0,097	С5Н12+8O2=5CO2+6H2O	0,346	1,14			0,297			0,146	1,14
СО2
N2	0,029										0,029
H2O	0,39									0,39

 

Тепловой баланс плавки

Статьи прихода:

Теплота сгорания кокса. Определяем по формуле Д. И. Менделеева, учитывая, что часть углерода и серы кокса в процессе горения не участвует:

При расходе кокса 7 кг

Теплота, выделяемая при окислении кремния,

Теплота, выделяемая при окислении марганца,

Теплота, выделяемая при окислении железа,

Итого приход:

Статьи расхода:

Расход теплоты на расплавление и перегрев металла

Теплота, поглощаемая при шлакообразовании:

Расход теплоты на испарение влаги

Физическая теплота ваграночных газов. Определим объемный состав газов. Плотность СО₂ = 1,96 , CO = 1,25 , Н₂О = 0,8 , SO₂ = 2,86 , N₂ = 1,25 .

В ваграночных газах содержится

Общий объем газов равен:

Удельная теплоемкость ваграночного газа при температуре 500⁰С

тогда

Расход теплоты с охлаждающей водой. Примем общий расход воды для охлаждения вагранки 50 или 250 кг воды на 100 кг шихты. Температуру воды до вагранки 10⁰С, после вагранки 30⁰С.

Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окиси углерода

После дожигания ваграночных газов часть теплоты используется для подогрева воздуха.

Сумма перечисленных статей теплового баланса составляет

Коэффициент полезного действия вагранки

Коэффициент использования топлива

Процент кокса составляет 70 % от всего топлива, процент природного газа –30 %. Следовательно: на плавление 100 кг шихты необходимо 30 м³ природного газа и 7 кг кокса.

 

 

5 Расчет размеров вагранки

Диаметр вагранки в свету при удельной производительности 8 т/(м² )

Полезная высота вагранки

Общая высота вагранки без трубы при Н₁=0,5 м и Н₂=2 м

Н_общ=Н₀+Н₁+Н₂=5,216+0,5+2=7,716 м

Диаметр металлической летки при скорости металла 1 м/с

Диаметр шлаковой летки принимаем 60 мм

Сечение вагранки в свету

Суммарное сечение фурм