ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

В кислородной зоне вагранки происходит полное горение углерода кокса до СО2. Если все тепло, выделяющееся при горении кокса, остается внутри системы без какого-либо рассеивания в окружающую среду, то достигается калориметрическая температура горения. Калориметрическая температура определяет, в конечном итоге, температуру жидкого чугуна, влияющую на качество отливок. Имеется метод расчета калориметрической температуры горения топлива Тк[1], основанный на подборе двух температур Т1 и Т2, приводящих к определению двух энтальпийi1иi2, соответствующих этим температурам по составу продуктов горения и лежащих по отношению к начальной энтальпииi0данного топлива в соотношенииi1<>

В данном методе расчета не учитывается диссоциация продукта горения углерода СО2, хотя известно, что в кислородной зоне вагранки имеется газ СО[2].В результате получается завышенное значение калориметрической температуры горения. Предлагается аналитический метод расчета калориметрической температуры горения кокса, учитывающий диссоциацию СО2, наличие золы кокса.

На повышение энтальпииhiмассы одного из продуктов реакцииmiпри нагревании от исходной температурыto до температуры горения Т требуется тепла:

Тепловой баланс для всего процесса выражает калориметрическое уравнение[3]:

гдеq - количество тепла, выделяемое на единицу массы реагирующего углерода, Дж/моль, Сpi -теплоемкость веществ, Дж/мольК.

Состав продуктов горения и величиныmi устанавливаются из стехиометрических коэффициентов уравнений реакции и условий горения углерода:

Величинаk учитывает состав окислительной атмосферы:

Для воздухаk=3,762и уменьшается с обогащением его кислородом.

Коэффициентnвыражает отношение действительного расхода воздуха к теоретическому, обеспечивающему полное горение без избытка кислорода.

Термическая диссоциация газообразных веществ усложняет состав продуктов горения. Происходящие изменения при разложении СО2 можно выразить через степень диссоциацииa- отношение числа распавшихся молей компонента к исходному числу молей, т.е. показывает долю распавшейся СО2 по реакции:

На диссоциацию затрачивается

тепла, гдеqco - количество тепла, выделяющегося при горении углерода до СО.

Состав продуктов реакции горения:

mco2 = 1-a; mo2 = n -1 + 0,5 ·a; mco =a; mn2 = n; mзол = nзол;

mh2o = nh2o + 0,5·nh2; mso2 = nso2 = ns.

Горение серы кокса и водорода приводит к образованию соответствующих массso2 и h20. Их количество необходимо привести к одному молю углерода кокса и учесть количество кислорода, необходимое для горения водорода и серы кокса. При их горении выделяется тепло qso2иqh2o.

В результате получим развернутое калориметрическое уравнение:

(1)

где Ср=a + b ·t + c·t-2, необходимые данные для расчета берутся из справочника [4],

qД - тепло, вносимое подогретым воздухом (дутьем):

n1 = 1 + 0,5·nh2+ns;

tД - температура воздуха (дутья);

nh2o - число молей влаги кокса в расчете на один моль углерода;

nзол - число молей золы кокса в расчете на один моль углерода

ns - число молей серы кокса в расчете на один моль углерода;

nh2 -число молей водорода кокса в расчете на один моль углерода

В уравнении (1) две переменныеt иa. Для их нахождения привлечем реакцию диссоциации углекислого газа, написанную выше, для которой константа равновесия К также связана с температурой и степенью диссоциации [3]:

(2)

гдеsni -число молей газообразных продуктов реакции горения кокса: паров воды,so2, закиси и окиси углерода, кислорода, азота.

Решение системы из двух уравнений позволяет найти искомые значения Т иa. Необходимые данные для расчета берутся из справочника[4]. Результаты расчета для кокса состава (масс.%): 82,5 С; 2h2; 0,5 s; 10 a; 5 wдляn=1, приведены в таблице и на рисунке.

Влияние содержания кислорода и температуры дутья на калориметрическую температуру

горения кокса Тк, ее повышения и степень диссоциации СО ₂ -a, n=1

№ п/п	% О 2	Т Д, оС	Тк, К	Т, К	a
1	21	Б/подогрева	2390/2479	0/0	0,154
2	25	Б/подогрева	2539	149	0,247
3	30	Б/подогрева	2680/3135	290/656	0,342
4	21	100	2426	36	0,183
5	21	500	2572/2843	182/364	0,285
6	25	550	2707	317	0,382

Примечание: числитель - расчет по предложенной методике;

знаменатель - существующая методика расчета.

При обогащении дутья кислородом на 1% калориметрическая температура горения кокса повышается на (37…28) К, повышение температуры дутья на 100оС повышает калориметрическую температуру на (36…45) К. Существующая методика расчета дает завышенное значение изменения калориметрической температуры горения кокса в 2 - 2,3 раза из-за не учета, в первую очередь, степени диссоциации СО2, составляющей более 30% (неполное горение). Таким образом, предложенная методика расчета калориметрической температуры горения кокса дает более реальные ее значения, особенно при обогащении дутья кислородом и его подогреве, т.к. учитывает диссоциацию СО2, т.е. неполное горение углерода кокса, достигающее 30% и более. Температура чугуна при выпуске из вагранки с учетом диссоциации СО2 и пирометрического коэффициента приближается к реальным условиям выплавки и соответствует расчетным данным по предложенной методике, см. табл. и рис.