Тепловой расчет вагранки

K_n = =0,9889

= СН₄ ^. K_n = 87 . 0,9889 = 86,03;

С₂ =С₂Н₄ ^. K_n = 2 ^. 0,9889 = 1,98;

С₃ = С₃Н₈ ^. K_n = 1,2 ^. 0,9889 = 1,17;

С₄ = С₄Н₁₀ ^. K_n = 0,65 ^. 0,9889 = 0,64;

С₅ = С₅Н₁₂ ^. K_n = 0,25 ^. 0,9889 = 0,25;

С = ^. K_n = 4,7 ^. 0,9889 = 4,65;

= ^. K_n = 1,2 ^. 0,9889 = 1,19;

     + С₂ + С₃ + С₄ + С₅ + С + + Н₂ = 86,03 + 1,98 + 1,17 + 0,64 + 0,25 + 4,65 + 1,19 + 0,87 = 96,78%

Т.к. общий % влажного газа должен быть равен 100%, добавим 3,22% = 1,19 + 3,22 = 4,41 (%).

Низшая теплота сгорания характеризует количество теплоты, содержащийся в продуктах сгорания, когда влага находиться в парообразном состоянии.

Низкая теплота сгорания топлива

= 12,7СО + 108Н₂ + 358 СН₄ +590С₂Н₄ + 555С₂Н₂ + 636 С₂Н₆ + 913 С₃Н₈ + 1185 С₄Н₁₀ + 1465 С₅Н₁₂ + 234 Н₂S;

= 358 + 86,03 +636 ^. 1,98 + 913 ^. 1,17 + 1185 ^. 0,64 + 1465 ^. 0,25 = 34250,88(кДж/м³).

 

Определение теоретически необходимого и действительного расхода воздуха для сжигания газа.

Теоретически необходимый расход кислорода для горения единицы топлива.

VO₂ = 0.01[(0,5CO + H₂ + 3H₂S) + (m + h/4) C_mH_h)]

VO₂ = 0,01[2 ^. 86,03 + 3,5 ^. 1,98 + 5 ^. 1,17 + 6,5 ^. 0,64 + 8 ^. 0,25) = 0,01(172,06 + 6,93 + 5,85 + 4,16 + 2) = 1,91(м³/м³)

Теоретически необходимый расход воздуха

V⁰ = + K

где K = = = 3,76

V⁰ = + 3,76 = 9,09 (м³/м³)

Коэффициент расхода воздуха

n = /V⁰ = 1,02 - 1,15

n = 1,15 по заданию.

Фактический расход воздуха

L_n = V^{0 .} n

L_n = 9,09 ^. 1,15 = 10,454(м³/м³)

Определение выхода продуктов полного горения, их состава и плотности.

Объем влажных продуктов горения:

V_n = +  +  + 

где = 0,01 (CO₂ + SO₂ + CO + H₂S + ∑mC_mH_n);

  = 0,01(4,66 + 86,03 + 2 ^. 1,98 + 3 ^. 1,98 + 4 ^. 1,71 + 5 ^. 0,64 + 6 ^. 0,25) + 0,001244 ^. 15 ^. 10,454 = 2,09(м³/м³)

= 0,01 + n ^. K ^. ,

где - азот топлива;

n ^. K ^.   - азот воздуха

= 0,01 ^. 4,41 + 1,15 ^. 3,76 ^. 1,91 = 8,3(м³/м³)

= (n - 1) ^.

= (1,15 - 1) ^. 1,91 = 0,3(м³/м³)

Состав продуктов горения

V_n = 1,02 + 2,09 + 8,3 + 0,3 = 11,71(м³/м³)

RO₂ = 100;

RO₂ = 100 = 8,72%

H₂O = 100 = 100 = 17,86%

N₂ = 100 = 100 = 70,9%

= = = 2,56%

RO₂ + H₂O + N₂ + = 100%

8,72 + 17,86 + 70,9 + 2,56 = 100%

 

3.1.2. Полное горение кокса

Данные для расчета

Сс	Hc	Oc	Nc	Sc	Ap	Wp
97,43	0,67	0,32	1,18	0,4	11,1	2,6

 

Пересчитаем сухую массу на рабочую по формуле

X^p = X^{c .}

где  = 97,43 ^. = 94,89

Коэффициент перерасчета сухой массы на рабочую

С^р = С^{с .}

Н^р = H^{c .} = 0,67 ^. = 0,65;

О^р = О^{c .} = 0,32 ^. = 0,31;

N^р = N^{c .} = 1,18 ^. = 1,15;

S^р = S^{c .} = 0,4 ^. = 0,39;

Низшая теплота сгорания для твердого топлива определяется по формуле Д.И. Менделеева.

= 339,1 ^. С^р + 1256  ^. Н^р + 108,9 S^p - 108,9 ^. O^р = 25(W^p + 9H^p)

= 339,1 ^. 94,89 + 1256  ^. 0,31 + 108,9 ^. 0,39 - 108,9 ^. 0,31 - 25 ^. (2,6 + 9 ^. 0,65) = 32364,019(кДж/кг)

Определение теоретически необходимого и действительного расхода воздуха.

Теоретически необходимый расход кислорода для горения единицы топлива.

 = 0,01 ^. (1,876С^р + 5,6Н^р + 0,7S^p - 0,7О^р)

 = 0,01 ^. (1,876 ^. 97,43 + 5,6 ^. 0,67 + 0,7 ^. 0,4 - 0,7 ^. 0,32) = 1,86 м³/кг

Теоретически необходимый расход воздуха

L₀ = 4,76 ^. = 4,76 ^. 1,86 = 8,85 (м³/кг)

Коэффициент расхода воздуха для кускового топлива n = 1,25 - 1,7, возьмем 1,5.

Коэффициент расхода воздуха n =

= ^. n = n(1+K) ^. (1+0,001244 /db/)      K= 3,76

= ^. 1,5(1 + 3,76) ^.1,86(1 + 0,001244 ^. 15) = 13,49 (м³/кг)

Определение выхода продуктов полного горения, их состава и плотности.

= 0,01(1,867 ^. C^{p .} 0,7 ^.S^p)

= 0,01(1,867 ^. 94,89 + 0,7 ^. 0,39) = 1,77(м³/кг)

= 0,01(Н^р + 1,244 ^. W^p) + 0,001244/db  ^. L_n

= 0,01(0,65 + 1,244 ^. 2,6) + 0,001244 ^. 15 ^. 13,5 = 0,29(м³/кг)

= 0,008 ^. N^p + n ^. k ^. , где   0,008 ^. N^p - азот топлива;

n ^. k ^. - азот воздуха

= 0,008 ^. 1,15 + 1,5 ^. 3,76 ^. 1,86 = 10,4(м³/кг)

= (n - 1)

= (1,15 - 1)1,86 = 0,93(м³/кг)

Объем влажных продуктов горения

V_n = + + +

V_n = 1,86 + 0,29 + 10,4 + 0,93 = 13,48(м³/кг)

Свободный воздух в продуктах горения

V_L = 100;

V_L = 100 = 34,4%

= 100;

= 100 = 13,8%

H₂O = 100 = 2,15%

N₂ = 100 = 77,15%

=

+ H₂O + N₂ + = 13,8 + 2,15 + 77,15 + 6,7 = 100%

 

 

 

 

3.2 Расход природного газа

Удельный расход топлива определим по формуле

В =   где

Q_техн - расход топлива на технологический процесс;

КИТ - коэффициент использования топлива.

Удельный расход кокса при работе вагранки без подогрева  воздуха В₁ = 115кг на 1 тонну чугуна. При сжигании кокса в горячем воздухе он будет в вагранке имеет место неполное сгорание кокса, часть углерода сгорает с образованием углекислоты СО₂. Если считать, что часть углерода в количестве У_Н сгорает в СО, то остальная часть (1 - У_Н) сгорает в СО₂. Тогда при содержании в коксе Е^р = 9489%, Н^р = 0,65%, N^p = 1,15%, S^p = 0,39%, O^p = 0,31% расход воздуха на сгорании 1 кг кокса составит:

V_B = 0,0889[(1-У_Н)С^р + 0,375 ^. S^p] + 0,0445 ^. У_Н ^. С^р + 0,265 ^. Н^р - 0,033O^p(м³/кг)

В расчете примем относительно высокое значение У_Н = 0,25. Тогда

V_B = 0,0889[(1-0,25)94,89 + 0,375 ^. 0,39] + 0,0445 ^. 0,25 ^. 94,89 + 0,265 ^. 0,65 - 0,033 ^. 0,31 = 6,4(м³/кг)

Объем сухих трехатомных газов:

= 0,0187[(1-У_Н)С^р + 0,375 ^. S^p]

= 0,0187[(1-0,25)94,89 + 0,375 ^. 0,39] = 1,33(м³/кг)

Объем окиси углерода

V_CO = 0,0187 ^. У_Н ^. С^р = 0,0187^. 0,25 ^. 94,89 = 0,444

Объем азота: N₂ = 3,76 ^. V_B ^. 0,8 = 3,76 ^. 6,4 ^. 0,8 =24,1(м³/кг)

 

Объем водяных паров:

= 0,111 ^. Н^р + 0,0124 ^. W^p + 0,0161 ^. V_B;

= 0,111 ^. 0,65 + 0,0124 ^. 2,6 + 0,0161 ^. 6,4 = 0,204(м³/кг)

Общее количество газов: V_r = 1,33 + 0,444 + 24,1 + 0,204 = 26,1(м³/кг)

Состав продуктов сгорания

= 100 = 100 = 5,095%

= 100 = 100 = 0,78%

= 100 = 100 = 92,3%

CO = 100 = 100 = 1,7%

∑ = + + + CO = 5,095 + 0,78 + 92,3 + 1,7 = 99,9% 100%

меньше и его можно определить из указанной формулы, считая низменным числитель Q_техн + Q_р

В₂ = В₁ ,  В₂ = 115 98,7 кг/Т

где В₁ и В₂ - удельные расходы кокса при работе вагранки на холодном воздухе и на горячем дутье (соответственно) КИТ₁ и КИТ₂ - соответствующие коэффициенты использования топлива при работе без  подогрева воздуха и на горячем дутье.

Коэффициент использования кокса при работе на воздухе без подогрева

КИТ₁ = 1+ -

КИТ₁ = 1+ - = 1+0,0077 - 0,336 = 0,67;

где  - энтальпий кокса; = 0;

      - энтальпий воздуха;

= V_B ^. C_B ^. t_B = 13,49 ^. 1,3^. 30 = 249,6 кДж/кг

- потеря химического недожога

= V_CO ^. Q_CO = 0,444 12700 = 5,63 10³ кДж/кг или 100 = 17,4%

= энтальпий отходящих газов  при Т₁ = 400 ;

= (С_со ;

=(1,344 = 5072,352

- потеря тепла от механического недожога

  0,005 = 0,005 32364,019 = 161,82 кДж/кг

Аналогично определяется коэффициент использования кокса при горячем воздухе (Т_в = 400^о - 455 )

Энтальпий воздуха J_в =6,4 1,3 455 = 3785,6 кДж/кг

Потеря тепла с отходящими газами будет больше вследствие более высокой температуры от холодных газов Т₂ =500

Q_ут =(1,344 500 0,0552 + 2,0453 500 1,1663 + 1,5831 500 0,0353 + 1,3294 500 0,7432 + 2,0453 500 0,1663) 26,1 = 4996,42 кДж/кг

Потеря q_2хн будет также больше, вследствие более глубокого восстановления СО₂ в СО по 10%

q_2хн = 5742,6 кДж/кг

тогда КИТ₂ = 1+ - = 1 + 0,11 - 0,33 = 0,78

удельный расход кокса при горячем дутье В_2К = 115 = 98,78 кг/ч

Экономия кокса ΔВ = 100% = 14,1%

Производительность вагранки увеличится по опытным данным примерно на 20 - 25% и составит Q = 26000 1,2 = 31200 кг/ч

Заменяем 40% кокса (при работе на горячем дутье) или В₂к

31,2 100 0,4 = 1609,92 кг/ч

Примем объемный состав сухого природного газа

СО₂ = 4,7%; СН₄ = 87%; С₂Н₆ = 2%; С₃Н₈ = 1,2%; С₄Н₁₀ = 0,65%; С₅Н₁₂ = 0,25%; N₂ = 1,2%; итого = 97%

Теоретически необходимое количество воздуха

V^o = 0,0476(2СН₄ + 3,5С₂Н₆ +5С₃Н₈ +6,5С₄Н₁₀ + 8С₅Н₁₂) = 0,0476(2 87 + 3,5 2 + 5 1,2 + 6,5 0,65 + 8 0,25) = 9,19м³/м³

При расчете горения природного газа учитываем, что имеет место реакции глубокого восстановления

СО₂ + С → 2СО - 38790 ккал/моль, поэтому будем считать содержание окиси углерода в отходящих газах СО = 8%. Этому соответствует коэффициент расхода воздуха 1,05 - 1,08;

Расход воздуха на горелку берем d = 1,15, тогда

V_в =1,15 9,19 =10,57 м³/м³

Избыточный воздух, участвуя в горении природного газа в форкамере, в дальнейшем используется для горения кокса  и продуктов газификации.

Объем продуктов при полном сгорании = 11,71 м³/м³ в том числе

= 1,02 м³/м³

При неполном сгорании объема будет больше за счет реакции восстановления

  0,08 11,17 = 0,94 м³/м³

V_r 11,71 + = 12,18 м³/м³

Определяем коэффициент использования природного газа при сгорании с горячим воздухом.

КИТ_пг = 1+ - , где

J_T = C_T T_T = 1,7138 30 = 51,4 кДж/м³

J_B = V_B C_B T_B = 10,57 1,34 4,55 = 6444,53 кДж/м³

Q_xн = V_со ^. Q_со = 0,94 ^. 12700 = 11938 кДж/м³

J_уг = V_уг С_уг  t_уг = 12,18  1,45882 500 = 8884,58 кДж/м³

КИТ_пг = 1+ - = 1+ 0,2 - 0,64 = 0,56

Расход природного газа определим по формуле

В_пг = В_к

В_пг = 1609,92 - = 1609,92 20,10 - 1,32 = 1520 м³/ч

Расход воздуха на вагранку будет

V_в = В_к V_вк + В_пр.г. V_в = 3139,34 6,4 + 1520 10,57 = 16086 м³/ч

где расход кокса В_к = 31,2 0,78 129 = 3139,34 кг/ч

 

 

 

4. Материальный баланс вагранки

 

Статьи прихода:

Шихта. Колличество металлической шихты принимаем равной 100кг.

В процессе плавки весь углерод, сера, фосфор, хром и никель полностью перейдут в выплавляемый металл. Часть кремния 2,7×0,15=0,4кг перейдёт в шлак, а 2,7-0,4=2,3 кг - в выплавляемый металл.

Марганец переходит в шлак: 0,7*0,2=0,14кг, в металл 0,7-0,14=0,56 кг.

Железо переходит в шлак: 93,2*0,005=0,47кг, в металл 93,2-0,47=92,73кг.

Количество кислорода для окисления элементов определяют по реакциям; например, окисление кремния происходит по реакции

SI +O₂=SIO₂. Из реакции видно, что для окисления 1 моля SI требуется 1 моль О₂, а для окисления 0,4 кг кремния  - 0,46кг кислорода, так как масса 1 моля SI = 28кг, а 1 моля О₂ = 32кг

2. Кокс. Учитывая подогрев воздуха до температуры 455С, принимаем расход кокса равным 10% массы металлургической шихты, т.е.