1.1.2 Материальный и тепловой баланс ВТТУ

Материальный баланс выражает равенство масс поступающих и выходящих из ВТТУ материалов после технологического процесса. Он составляется для определения расходов сырья (исходных материалов), топлива и выхода готовой продукции.

Общая формула материального баланса:

. (1.7)

Для технологического процесса, осуществляемого с химическими превращениями:

, (1.8)

где - масса технологического сырья (шихты);

- масса топлива;

- масса воздуха;

- масса технологического продукта;

- масса технологических отходов (шлака);

- масса технологических газов (газообразных продуктов химических превращений);

- масса продуктов горения топлива.

К технологическим отходам относятся шлак, окалина, унос. Технологические же газы и продукты сгорания топлива образуют отходящие газы.

Материальный баланс составляется на единицу продукции для циклично действующих агрегатов, или в единицу времени (час, секунда) в непрерывных процессах.

Для определения основных технико-экономических показателей ВТТУ (ТЭП ВТТУ) и оценки эффективности энергоиспользования составляется тепловой баланс ВТТУ, которая кроме рабочей камеры (РК), в которой осуществляется технологический процесс, имеет различные теплоиспользующие установки (ТИУ). Так, например, мартеновская печь включает в себя мартен и регенераторы, а нагревательный колодец комплектуется регенератором или рекуператором.

В зависимости от числа зон и камер, в которых осуществляются все ступени (стадии) технологического процесса, ВТТУ выполняются одно- или многокамерными [3]. Однокамерная однозонная ВВТУ характеризуется равномерным температурным полем (например, нагревательный колодец). В однокамерной многозонной ВТТУ устанавливается неравномерное по длине температурное поле (например, методическая нагревательная печь).

В многозонной и многокамерной ВТТУ можно выделить следующие зоны (рисунок 1.12):

Ø ПТО – предварительной тепловой или физико-химической обработки;

Ø ОТО – основной технологической обработки материала;

Ø ТД – технологической дообработки материала.

Рисунок 1.12 – Обобщенная структурная схема ВТТУ

Кроме того, в структурную схему ВТТУ входят дополнительные элементы для подогрева компонентов горения (элемент 1), выработки дополнительной продукции (элемент 2) за счет тепла отходящих из рабочей камеры (РК) продуктов сгорания топлива. Эти элементы получили название теплоиспользующих установок (ТИУ).

Таким образом, тепловую схему ВТТУ можно представить следующим образом (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 Тепловая схема ВТТУ

С учетом вышесказанного тепловые балансы могут составляться:

Ø для рабочего пространства рабочей камеры;

Ø для отдельных элементов ВТТУ (например, одного из элементов ТИУ);

Ø для всей установки в целом.

Уравнение теплового баланса для рабочего пространства ВТТУ в общем случае представляется равенство прихода и расхода тепла:

[кДж/час, кВт]. (1.9)

Приходная часть теплового баланса включает в себя следующие составляющие:

. (1.10)

Отдельные составляющие приходной части теплового баланса рассчитываются по следующим формулам:

а) химически связанная энергия топлива рассчитывается по расходу топлива и его теплоте сгорания:

, (1.11)

где В – расход топлива на единицу продукции или в единицу времени (для непрерывных технологических процессов.

б) Физическое тепло воздуха, подогреваемого в ПКГ:

, (1.12)

где - расход воздуха на единицу сжигаемого топлива,

- теплоемкость и температура подогретого воздуха.

в) физическое тепло топлива учитывается при предварительном подогреве топлива в ПКГ (в основном для низкокалорийного газообразного топлива):

, (1.13)

где - теплоемкость и температура подогрева топлива.

г) физическое тепло, вносимое исходным материалом (физическое тепло жидкого чугуна, слитков при горячем посаде в нагревательные печи):

, (1.14)

где - масса i-того компонента шихты (исходного материала).

д) тепло экзотермических реакций рассчитывается по тепловым эффектам химических реакций, например, по термохимическому уравнению:

, кДж/к-моль (1.15)

е) Тепло, эквивалентное расходу электроэнергии на собственные нужды:

, (1.16)

где - мощность электрических установок, обеспечивающих работу ВТТУ (электродвигатели, дымососы, вентиляторы, электрофильтры и т.д.);

- удельный расход тепла на выработку 1 кВт-ч на электростанции (9-11тысяч кДЖ/кВТ-ч).

Расходная часть теплового баланса включает в себя следующие составляющие:

(1.17)

Статьи расходной части теплового баланса рассчитываются по формулам:

а) Тепло, уносимое из рабочей камеры ВТТУготовым технологическим продуктом:

, (1.18)

где - масса технологического продукта,

- теплоемкость и температура технологического продукта.

Для жидких (расплавленных) технологических продуктов при расчете тепла необходимо учитывать скрытую теплоту плавления.

б) Физическое тепло технологических отходов производства (шлак, окалина, унос):

. (1.19)

Так как шлак и унос могут быть в расплавленном состоянии, то при расчете необходимо учитывать скрытую теплоту плавления.

в) Тепло эндотермических реакций определяется по величине тепловых эффектов (например, преобразования осуществляются с поглощением тепла).

г) Физическое тепло отходящих газов, представляющих собой смесь продуктов сгорания топлива и газообразных продуктов реакции в технологическом материале:

, (1.20)

где - объем отходящих газов на единицу продукции или в единицу времени (для непрерывно действующих ВТТУ).

д) При наличии в отходящих газах горючих газообразных компонентов () необходимо учитывать химически связанную их энергию:

. (1.21)

е) Химический недожог топлива в ВТТУ обычно равен нулю. Однако из-за высоких температур отходящих газов имеет диссоциация и , на которую затрачивается определенное количество энергии (определяется по тепловым эффектам):

. (1.22)

ж) Механический недожог (до2-4 %) в основном имеет место при использовании твердого топлива. Вместе с тем, в некоторых ВТТУ, где используется реверсирование газовых потоков (например, в мартеноских печах) в отходящих газах появляется несгоревшее газообразное или жидкое топливо в момент изменения направления движения газов.

з) Потери тепла на нагрев кладки учитывается только для периодически (циклически) действующих ВТТУ:

, (1.23)

где разница средних температур кладки в конце и в начале технологического цикла.

и) Потери тепла в окружающую среду складываются из потерь тепла через ограждающие поверхности (кладку), потерь тепла излучением и с выбивающимися газами через неплотности или технологические отверстия ВТТУ:

, (1.24)

Составляющие потерь в окружающую среду определяются по формулам:

, (1.25)

, (1.26)

, (1.27)

где наружная поверность кладки,

- температуры наружной поверхности кладки, окружающей среды, отходящих газов,

- площадь отверстий в ВТТУ и коэффициент диафрагмирования отверстий,

- объем и температура выбивающихся через неплотности и отверстия ВТТУ газов.

к) Потери тепла с охлаждающей водой, подаваемой в кессоны наиболее теплонапряженных элементов ВТТУ для повышения стойкости огнеупорной кладки:

, (1.28)

где - поверхность охлаждения i-того элемента,

- плотность теплового потока, кДж/м.

л) Потери тепла на нагрев транспортных средств (подвижный под, поддоны, подвижные тележки):

, (1.29)

где - масса транспортных средств,

- степень охлаждения транспортных средств после выхода из рабочей зоны (рабочей камеры) ВТТУ.

В качестве примера в таблице 1.1 приведен тепловой баланс кислородно конвертерного передела.

Таблица 1.1 – Тепловой баланс 300-тонного конвертера

Приход тепла		Расход тепла
Статья	%	Статья	%
1. Жидкий чугун	32,2	1. Со сталью	52,8
2. Экзотермические реакции	39,2	2. Со шлаком	12,8
3. Тапло образования шлака	2,0	3. Конвертерный газ	32,3
4. Тепло сгорания углерода	26,6	4. Потери тепла через кладку	0,6
		5. Потери тепла через горловину	1,5
Итого	100	Итого	100

При составлении теплового баланса невязка баланса не должна превышать 1-2 %.

наверх

назад