Тепловой баланс печи и определение расхода топлива

Тепловой баланс печи — сопоставление прихода в печь теплоты с ее расходом.

Печи непрерывного действия (например, методические, кольцевые, секционные) характеризуются постоянным во времени температурным режимом. Для таких печей баланс тепла составляется применительно к единице времени. Печи периодического действия характеризуются переменным во времени температурным режимом. Баланс теплоты для них составляется применительно к одному рабочему циклу (нагрев металла, обжиг, плавка и Т.Д.).

Удобнее всего оценивать тепловую экономичность печи с помощью теплового баланса, отнесенного к единице массы (1т или 1 кг) нагреваемого материала, шихты.

Для нагревательных топливных печей тепловой баланс, который может быть отнесен к единице времени, одному рабочему циклу печи или единице массы продукции, определяется уравнением.

где применительно к тепловому балансу за единицу времени: Q_x — химическая теплота, выделяющаяся при сгорании топлива; Q_T — физическая теплота топлива; Q_n — теплота, вносимая извне с воздухом, поступающим для горения; Q_3K3 — теплота, выделяющаяся в результате экзотермических технологических реакций, протекающих при тепловой обработке материала (например, окисление металла); Q_lipHC — теплота, вносимая воздухом, постуиающим в газоходы печи в результате присосов из окружающей среды; Q, — теплота, затраченная на нагрев металла (полезная теплота); <2₂— потери теплоты с уходящими газами; Q₃ — потери теплоты из-за химической неполноты сгорания топлива; Q₄ — потери теплоты из-за механической неполноты сгорания топлива; Q_5k71 — потери теплоты в результате теплопроводности кладки; Q_5or — потери теплоты с дымовыми газами, выбивающимися из печи в атмосферу через неплотности кладки; (2_5изл — потери теплоты в результате излучения через открытые окна и щели; Q_5oxi — потери теплоты с водой, охлаждающей отдельные элементы печи; Q_5t — потери теплоты из-за нагрева транспортных устройств и тары, используемых для подачи изделий в печь; Q_5ok — потери теплоты с окалиной; Q_5aKK — потери теплоты в результате аккумуляции ее кладкой (в печах периодического действия).

Работа воздухоподогревателя на общем уравнении теплового баланса не отражается, поскольку поступающий в камеру горения воздух подогревается в воздухоподогревателе за счет теплоты продуктов сгорания, образующихся в самой печи, тогда как уравнение баланса учитывает только приход и расход теплоты, поступающей в печь извне.

Отдельные составляющие теплового баланса, отнесенного к единице времени, МВт, определяются следующим образом.

Приход теплоты. Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива,

где В — расход топлива, кг/с (м³/с).

Теплота, вносимая с топливом (физическая теплота топлива),.

где с_т — средняя теплоемкость топлива, МДжДкг К) [МДж/(м³* К)]; t_T — температура топлива, °С.

Теплота_} вносимая извне с воздухом, поступающим для горения. Так как в приходную часть теплового баланса включается только теплота, поступившая извне, под Qb понимается теплота необходимого для горения топлива холодного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель (если он есть), или непосредственно в горелку, или в камеру сгорания:

Q" = a_TV°c_x.A, B = аХЛ (15.13).

где а_т — коэффициент избытка воздуха в топке (камере сгорания); V⁰ — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг (1 м³) топлива, м³/кг (м³/м³); с_хв — средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха при ?_хв, МДж/(м³ — К); ?_хв — температура холодного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель или горелку, °С; /_хв — энтальпия теоретического объема холодного воздуха, отнесенного к единице топлива, МДж/м³.

Теплота, выделяющаяся в результате экзотермических технологических реакций. При нагреве стальных (чугунных) заготовок, поковок в процессе закалки, отжига и др. происходит их окисление с выделением теплоты в среднем количестве 5,65 МДж на 1 кг окисленного металла. Поэтому.

где G — производительность печи, кг/с; 8 — угар металла, %.

Величина угара в высокотемпературных печах (кузнечных, прокатных) колеблется в пределах 1 —3%.

Теплота, поступающая в газоходы печи в результате присоса воздуха,

где а_т — увеличение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах за счет присоса;

где a_vx — коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; /®_в — энтальпия теоретического объема холодного воздуха присасываемого в газоходы печи, отнесенного к единице топлива, МДж/м³;

Расход теплоты. Расход теплоты па нагрев металла

где г_к и г_ц — энтальпии металла соответственно в конце и начале нагрева, определяемые по его средней массе и по температурам t₀ и t_K, МДж/кг. Потери теплоты с уходящими газами

где I_v, — энтальпия уходящих газов, имеющих температуру f_vx (°С), МДж/м³; V_vx — объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы объема (массы) топлива, м³/м³ (м³/кг); c_vx — средняя объемная изобарная теплоемкость уходящих газов, МДж/(м³— К).

Потери теплоты из-за химической Q₃u механической Q₍ неполноты сгорания топлива определяют таким же образом, как в котельных установках (см. параграф 15.2), относя их к расходу топлива В.

Потери теплоты в результате теплопроводности кладки после разогрева печи и при установившемся режиме ее работы

где t_m — средняя температура внутренней поверхности кладки, определяемая по известному температурному режиму печи, °С; t_B — температура окружающего воздуха; — сумма термических сопротивлений слоев кладки, (м²-К)/Вт; S — толщина соответствующего слоя, м; X — коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м • К); а"  — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду, Вт/(м²-К) (может быть принят равным 20); F_K1 — площадь наружной поверхности кладки, м².

Потери теплоты с дымовыми газами, выбивающимися из печи в атмосферу через неплотности кладки, Q,_Bдолжны быть равны нулю, т. е. конструкция печи должна быть газоплотной (для нормальных условий работы обслуживающего персонала).

где с — коэффициент излучения внутренней поверхности рабочей камеры, принимаемый равным 5,22 Вт/(м² К⁴); ф — коэффициент диафрагмирования, определяемый в зависимости от толщины кладки и размеров окна или щели, обычно ф ~ 0,65;/— суммарная площадь окон и щелей, м²; Т_к — температура в камере печи, К; ф — период работы печи, в течение которого окно открыто (ф ~ 0,2-^0,3).

Потери теплоты с охлаждающей водой (имеют наибольшее значение в методических печах с развитой системой водяного охлаждения).

где k — коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде, Вт/(м² • К); F — площадь поверхности охлаждаемых элементов печи, м²; At — температурный напор между газами и водой, К.

Потери теплоты из-за нагрева транспортных устройств и тары, используемых для подачи изделий в печь,

где G_r — масса проходящих через печь в единицу времени перемещающихся частей или тары, кг/с; i₂ и г, — энтальпии перемещающихся частей соответственно в конце и начале печи, Дж/кг.

Потери теплоты с окалиной

где 0,01 — переводной коэффициент (перевод процентов в доли); 5 — угар металла, %; G — производительность печи, кг/с; с_ок — теплоемкость окалины, с, ж ⁼ 1' Ю ³ МДжДкгК); t_OK — температура окалины, которую можно принимать равной максимальной температуре поверхности металла, °С; t₀ — начальная температура нагреваемого металла, °С; т — количество окалины Fe₃0,j, кг, образующейся при окислении 1 кг Fe.

Остальные потери относят к неучтенным, в том числе Q_5aKK.

Потери теплоты в результате аккумуляции ее кладкой (в печах периодического действия) при необходимости можно определить по формуле.

где V_K4 — объем кладки, м³; р_К1 — плотность материала кладки, кг/м³; с_кл — теплоемкость материала кладки, ДжДкгК); Д/ ., — разность средних температур кладки в конце и начале периода работы печи, К; т — длительность периода работы печи, ч.

Теплота, рассеянная в окружающую среду печью и затраченная на нагрев кладки в печах периодического действия с 10%-ным запасом,

Расход топлива. Подставляя в уравнение (15.10) выражения для отдельных составляющих, можно вычислить расход топлива В.

Уравнение (15.10) можно представить в следующем виде:

Обозначим теплоту, рассеиваемую в окружающую среду, при стационарном режиме печи через Qo_C^:

а полезную теплоту, т. е. теплоту, расходуемую на технологический процесс (в рассматриваемых печах это в основном нагрев металла) за вычетом теплоты экзотермических реакций, через (2г_СХ"^:

Тогда уравнение теплового баланса примет вид.

Все слагаемые теплового баланса, пропорциональные расходу топлива, можно выразить через удельный расход топлива Ь, т. е. расход, приходящийся на единицу массы обрабатываемого материала (1 кг исходной шихты или нагреваемого металла):

где /_т — энтальпия топлива, отнесенная к единице его количества; /_хв — энтальпия подаваемого воздуха, отнесенная к единице топлива; а — доля газов, выбивающихся из рабочего пространства печи; /_ух — энтальпия газов, уходящих из печи, отнесенная к единице количества топлива; /_{в г} — энтальпия газов, выбивающихся из рабочего пространства, отнесенная к единице количества топлива.

Поэтому уравнение теплового баланса (15.28) для непрерывно работающей печи (т.е. при Q_5aKK = 0) можно записать так:

Отсюда удельный расход топлива (в килограммах — для твердого топлива, в кубических метрах — для газообразного) на единицу количества материала, кг/кг (м³/кг),.

ИЛИ.

называется коэффициентом использования топлива, показывающим, какая доля теплоты, введенной в печь, использована в рабочем пространстве печи. Тогда выражение (15.32) принимает вид.

Зная удельный расход топлива на единицу количества материала b и массу нагреваемого в единицу времени материала G, можно найти расход топлива печью за единицу времени:

Коэффициенты полезного действия печей. Коэффициент полезного действия рабочего пространства печи представляет собой отношение полезно использованной в рабочем пространстве теплоты Q ко всей теплоте, вводимой в рабочее пространство (при 0,_фИС ~ 0):

При этом нод полезно использованной теплотой понимают теплоту.

где Оэвд — теплота, поглощаемая в результате эндотермических реакций, протекающих при тепловой обработке продукта (в печах для нагрева металла 0э_ВД = 0).

Энергетический КПД представляет собой отношение теплоты, полезно использованной всей печной установкой, к затраченной теплоте:

где <2_{Л ()П} — дополнительная теплота, пошедшая на выработку пара в котлеутилизаторе или на нагрев воды, воздуха, используемых вне печи.

Основными потерями теплоты в печах являются потери с уходящими газами и в окружающую среду.

Коэффициент полезного действия рабочего пространства печей предприятий тяжелой промышленности находится в пределах 10—30%. Он в значительной степени определяется заданным температурным уровнем работы печей.