Тепловые эквиваленты элементов и соединений

1. Тепловой эквивалент сгорающего у фурм углерода

При окислении у фурм 1 кг углерода кислородом дутья до окиси углерода по реакции

С + 0,5О₂ = СО + 117940 кДж

выделяется тепла кДж/кг С, где 12 - атомная масса углерода.

Кроме того, в печь вносится тепло с нагретым дутьем, количество которого зависит от объема дутья на единицу сгорающего углерода и температуры дутья. Часть вносимого в печь тепла в ней не используется и уносится с колошниковым газом. Это количество тепла не следует учитывать. Поэтому в общем виде тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм, можно представить в следующем виде:

q _C = + V _д ∙ (W _д – V _кг ∙ W _кг)

где V _д – расход дутья, м³/кг С; V _кг – выход колошникового газа, м³/м³ дутья; W _д, W _кг – теплосодержание горячего дутья и колошникового газа, кДж/м³

Расход дутья равен, м³/кг С:

V _д =

Выход колошниковых газов составит, м³/м³ дутья

V _кг = 1 + ω + f – ω∙f

где ω – степень обогащения дутья, м³/м³ дутья; f – влажность дутья, м³/м³ дутья.

Теплосодержание (энтальпия) горячего дутья, кДж/м³

W _д = (1 – f) ∙ W _ОN + f ∙ (W _{Н О} – )

где W _ОN, W _{Н О} – энтальпия двухатомных газов и водяного пара, кДж/м³; – расход тепла на разложение 1 м³ водяного пара по реакции

H₂O = H₂ + O₂ – 242800 кДж

Энтальпия двухатомных газов при температуре горячего дутья T_д равна, кДж/м³

W _ОN =

Энтальпия водяного пара при температуре горячего дутья T_Д равна, кДж/м³

W _{H O} =

2. Тепловой эквивалент (“теплоотдача”) углерода прямого восстановления

Для окисления углерода прямого восстановления расходуется не кислород нагретого воздуха, а кислород шихты по реакции

FeO + C = Fe + CO.

Образующаяся окись углерода в дальнейшем может участвовать в реакциях непрямого восстановления FeO + CO = Fe + CO₂ и без изменения объема уходит из печи с колошниковым газом, унося тепло в количестве 22,4∙W_КГ ккал/м³

q _С =

3. Тепловой эквивалент оксида кальция

Оксид кальция может поступать в шихту в виде известняка СаСО₃, офлюсованных агломерата и окатышей (в этом случае она находится в виде силикатов и ферритов кальция). В доменной печи идет разложение известняка:

СаСО₃ = СаО + СО₂ – 178500 кДж

на образование 1 кг извести (СаО) необходимо затратить тепла = 3192 кДж/кг СаО.

Образующаяся известь взаимодействует с кислотными оксидами и переходит в шлак. По реакции извести и кремнезема 2СаО + SiO₂ = 2CaO∙SiO₂ выделяется тепла 1260 кДж/кг СаО.

При определении теплового эквивалента оксида кальция необходимо учесть тепло, необходимое для нагрева и расплавления СаО, находящейся в шлаке, т.е. теплосодержание шлака W_ШЛ. Тогда тепловой эквивалент СаО, образовавшейся в печи при разложении сырого известняка, будет равен:

q _{СаО(СаСО )} = W _шл + 3192 – 1260 = W _шл + 1932 кДж/кг СаО

W_шл = 1774,5 + 1,68 ∙ (Т _шл – 1450),

где Т _шл – температура шлака, ºС

В офлюсованном агломерате, в котором известь находится в виде силикатов кальция, т.е. в виде “готового шлака”, то имеет место экономия тепла, так как его нужно затратить лишь для расплавления СаО.

Тепловой эквивалент извести в офлюсованном агломерате, кДж/кг СаО

q _{СаО(Са SiO )} = W _шл – (W _шл + 1932) = – 1932,0

4. Тепловой эквивалент оксида кремния

q _SiO = W _шл + b _шл∙(W _шл + 1932), кДж/кг SiO₂

где b _шл - основность шлака

5. Тепловой эквивалент оксида алюминия

q _{Al O} = W _шл – 840 + b _шл ∙ (W _шл + 3192), кДж/кг Al₂O₃

6. Тепловой эквивалент оксида магния

Подобно извести MgO может находиться в доменной шихте в виде MgCO₃, силикатов магния (Mg₂SiO₄) и свободном виде. По реакции

MgCO₃ = MgO + CO₂ + 109870 кДж.

для разложения MgCO₃ требуется = 2747 кДж/кг MgO

При ошлаковании MgO с образованием Mg₂SiO₄ выделяется 794 кДж/кг MgO, следовательно

q _{MgO(MgCO )} = W _шл + 2747 – 794 = W _шл + 1953, кДж/кг MgO.

Если MgCO₃ присутствовал в аглошихте при спекании агломерата, то в нем MgO будет в виде Mg₂SiO₄, и мы имеем экономию тепла, которое не будет израсходовано в доменной печи на разложение MgCO₃

q _{MgO(Mg SiO )} = W _шл – (W _шл + 1953) = – 1953,0 кДж/кг MgO.

Если MgO присутствует в шихте в свободном виде, то экономия в расходе тепла составит

q _MgO = (W _шл – 794) – (W _шл + 1953) = – 2747,0 кДж/кг MgO

7. Тепловой эквивалент серы

Принимаем для простоты, что сульфидная и органическая сера находятся в свободном виде. Перевод серы в шлак идет по реакции

СаО + S = CaS + 0,5O₂ – 173630 кДж

на что затрачивается тепла = 5426 кДж/кг S.

При этом следует учесть расход тепла на разложение известняка = 3192 кДж/кг СаО, необходимого для получения дополнительного СаО. Это тепло составит 3192 ∙ кДж/кг, где 56 и 32 - молекулярные массы СаО и S соответственно.

Необходимо также принять во внимание тепло, потребное для нагрева и расплавления находящегося в шлаке СаS, которое равно W _шл ∙ (здесь 72 - молекулярная масса СаS). Тогда тепловой эквивалент сульфидной и органической (свободной) серы будет равен, кДж/кг S_своб.

q _{S .} = 5426 + 3192 ∙ + W _шл ∙

В офлюсованном агломерате сера присутствует в виде СаSO₄ (сульфатная сера). Ее перевод в шлак может идти по реакции

CaSO₄ = CaS + 2O₂ – 921190 кДж

на что затрачивается тепла = 28787 кДж/кг S. Тепловой эквивалент сульфатной серы, кДж/кг S.

q _{S .} = 28787 + W _шл ∙

8. Тепловой эквивалент фосфора

Пятиокись фосфора в печи диссоциирует на элементарный фосфор и кислород, на что расходуется тепло в количестве 25066 кДж/кг Р. Прямое восстановление фосфора, протекающее по реакции

Р₂О₅ + 5С = 2Р + 5СО,

расходует углерод, который не дойдет до фурм, не сгорит, т.е. уменьшится тепло в количестве ∙ (q _C - q _C ) кДж/кг Р, где 60 и 62 - молекулярные массы соответственно 5С и 2Р, а отношение – расход углерода на реакцию восстановления фосфора, кг/кг Р.

Фосфор переходит в чугун в виде фосфида железа Fe₃P, при этом выделяется тепло в количестве 4767 кДж/кг Р. Образовавшийся фосфид железа нагревается и расплавляется за счет теплосодержания чугуна W_чуг.

Теплосодержание чугуна

W _чуг = 147 + 0,756∙ Т _чуг),

где Т _чуг – температура чугуна, ºС

Тепловой эквивалент фосфора равен, кДж/кг Р

q _Р = 25066 + ∙ (q _C – q _C ) – 4767 + W _чуг

9. Тепловой эквивалент марганца

Тепловой эквивалент марганца в виде MnO равен, кДж/кг Mn_MnO

q _Mn(MnO) = (7388 + 0,218∙(q _C – q _C ) + 0,073∙ q _C + 1.073∙ W _чуг – 584)∙ η _Mn +(1,29∙ ∙ W _шл – 496)∙(1- η _Mn)

10. Тепловой эквивалент железа

Тепловой эквивалент железа в виде FeO равен, кДж/кг Fe_FeO

q _Fe(FeO) = ∙ R _d + ∙(q _C – q _C )∙ R _d + ∙ q _C + (1 + )∙ W _чуг,

где [C], [Fe] – содержание углерода, железа в чугуне, %

При восстановлении железа из оксида железа или других соединений тепловые эквиваленты железа в них равны, кДж/кг Fe_Fe2O3

q _{Fe(Fe O )} = q _Fe(FeO) + 2553,6 ∙ R _d + ∙ (q _C – q _C ) ∙ R _d

В некоторых случаях в составе доменной шихты может присутствовать металлический скрап (металлодобавка), состоящий, главным образом, из металлического железа Fe_мет, которое растворяет в себе углерод, вызывая потери тепла от недоиспользования углерода. Кроме того, тепло расходуется на нагрев и расплавление образующегося чугуна. Тепловой эквивалент железа равен, кДж/кг Fe_Feмет

q _Feмет = ∙ q _C + (1 + ) ∙ W _чуг

11. Тепловой эквивалент кремния, переходящего в чугун

Принимаем, что кремний находится в чугуне в виде FeSi, тогда теплосодержание равно, кДж/кг материала, из которого кремний переходит в чугун

q _[Si] = (14548,8 + ∙(q _C – q _C ) + ∙ W _чуг – 1344 – (W _шл + b _шл∙(W _шл + +1932)))∙ ∙ ,

где 14549 кДж/кг SiO₂ – затраты тепла на диссоциацию SiO₂; (q _C – q _C )∙ – потери тепла с углеродом прямого восстановления, ккал/кг SiO₂ (по реакции SiO₂ + 2С = Si + 2СО); 1344 кДж/кг SiO₂ – количество тепла, которое выделяется при образовании FeSi; W _шл + b _шл ∙ (W _шл + 1932) - тепло, требуемое для перевода SiO₂ в шлак, кДж/кг SiO₂; ∙ W _чуг – затраты тепла на нагрев кремния, переходящего в чугун, ккал/кг SiO₂; ∙ – количество SiO₂, расходуемое данным материалом на восстановление требуемого количества кремния в чугун, кг/кг материала.

12. Тепловой эквивалент гидратной воды

q _{H O} = 4200 + 0,3∙( + (q_C – q_C )∙ )∙ R _d – ( ∙ R _i)

13. Тепловой эквивалент углекислоты, выделяющейся из карбонатов

q _CO2 = ( + (q _C – q _C )∙ )∙ R _d

14. Тепловой эквивалент шихтового материала

q _м = q _SiO ∙(SiO₂)_м + q _{Al O} ∙(Al₂O₃)_м + q _{CaO(Ca SiO )}∙(CaO)_м +

+ q _{MgO(Mg SiO )}∙ (MgO)_м + q _{S .}∙S_м∙ η _s + q _P∙P_м + q _Mn(MnO)∙(Mn_MnO)_м + q _Fe(FeO)∙(Fe_FeO)_м + + q _{Fe(Fe O )}∙(Fe_{Fe O} )_м + q _[Si]м

15. Тепловой эквивалент топлива

15.1 Тепловой эквивалент кокса

q _к = q _Ac ∙ A_С + q _{S .} ∙ S_К ∙ η_S + q _[Si]К – C_нел ∙ (q _C – Z_С)

15.2 Тепловой эквивалент золы кокса

q _А = q _SiO ∙(SiO₂)_А + q _{Al O} ∙(Al₂O₃)_А + q _{CaO(Ca SiO )}∙(CaO)_А + + q _{MgO(Mg SiO )}∙(MgO)_А + q _S ∙S_А ∙ η _S + q _P∙P_А + q _Mn(MnO)∙(Mn_MnO)_А + + q _Fe(FeO)∙(Fe_FeO)_А + q _{Fe(Fe O )} ∙ (Fe_{Fe O} )_А

15.3 Тепловой эквивалент природного газа

Окисление составляющих природного газа происходит с выделением тепла по реакциям:

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 1660 кДж/м³ СО

С₂Н₆ + О₂ = 2СО + 3Н₂ + 3030 кДж/м³ СО

С₃Н₈ + 1,5О₂ = 3СО + 4Н₂ + 3380 кДж/м³ СО

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СО + 5Н₂ + 3460 кДж/м³ СО

С₅Н₁₂ + 2,5О₂ = 5СО + 6Н₂ + 3625 кДж/м³ СО

Тепловой эквивалент природного газа от неполного его горения равен

q _пг = 1660∙ V _{CO(CH )} + 3040∙ V _{CO(C H )} + 3380∙ V _{CO(C H )} + 3460∙ V _{CO(C H )} +

+ 3625∙ V _{CO(C H )} + V _Дпг∙ W _Дtд – V _пр.г. ∙ W _пр.г.тк,

где V _{CO(CH )}, V _{CO(C H )}, V _{CO(C H )}, V _{CO(C H )}, V _{CO(C H )} – количество окиси углерода, образовавшейся из соответствующих горючих компонентов природного газа, м³; V _Дпг. – количество дутья, необходимое для сжигания 1 нм³ природного газа, м³/м³ природного газа; W _Дtд – теплосодержание влажного дутья при имеющейся температуре дутья, кДж/м³; V _пр.г. – количество продуктов горения (газа, образующегося при сжигании 1 м³ природного газа, м³/м³; W _пр.г.тк – теплосодержание продуктов горения при температуре колошника, кДж/м³.

15.4 Тепловой эквивалент ПУТ

Q _пут = C _пут ∙ q _C – q _A ∙ A _пут - q _{S .} ∙ S _пут ∙ η _S

15.5 Тепловой эквивалент золы угля

q _А = q _SiO ∙(SiO₂)_А + q _{Al O} ∙(Al₂O₃)_А + q _{CaO(Ca SiO )}∙(CaO)_А + + q _{MgO(Mg SiO )}∙ ∙(MgO)_А + q _{S .}∙(S)_А ∙ η _S + q _P∙P_А + q _Mn(MnO)∙(Mn_MnO)_А + + q _Fe(FeO)∙ ∙(Fe_FeO)_А + q _{Fe(Fe O )}∙(Fe_{Fe O} )_А

Дата добавления: 2015-07-18