2.4. Теплотехнический расчет

Теплотехнические расчеты включают в себя расчет горения топлива, тепловой баланс зон подогрева и обжига (теплопотребляющих зон), тепловой баланс зоны охлаждения, расчет технико-экономических показателей работы печи.

В расчетах по горению топлива определяют: его теплотворную способность; коэффициент избытка воздуха, исходя из максимальной температуры обжига; теоретический и действительный расходы воздуха, необходимые для горения; температуру подогрева последнего при условии его подогрева; количество и состав продуктов горения (теоретический и действительный), делают проверочный расчет теоретической и действительной температур горения. Расчеты по горению топлива приведены в подразд. 2.4.1.

В результате теплотехнического расчета печи определяют расход топлива для обеспечения необходимой температуры в печи и объем воздуха, требуемый для охлаждения изделий до заданной температуры. Методики теплотехнических расчетов тепловых агрегатов различной конструкции изложены в литературных источниках. Для определения необходимого расхода топлива в печи составляют тепловой баланс ее теплопотребляющих зон (зоны подогрева и обжига). Требуемый расход воздуха для охлаждения обоженных изделий рассчитывают из теплового баланса зоны охлаждения печи.

Приблизительную оценку теплоемкости керамических материалов производят по их химическому составу, пренебрегая соединением оксидов в силикаты, шпинели и другие соединения. Пример расчета эффективной теплоемкости и требуемые для этого данные приведены в подразд. 2.4.2.

Заканчивается этот раздел расчетами удельного расхода топлива и тепла на обжиг материала, определением коэффициента полезного действия печи и т.д.

Расход натурального топлива (В, нм³/ч, кг/ч) в условное (Вусл) пересчитывается по формуле, кг/условного топлива/единица продукции:

, (2.8)

где – низшая теплотворная способность натурального топлива, кДж/нм³ (кДж/кг);

Рч – часовая производительность печи, единица продукции/ч

или В усл, %:

, (2.9)

где – часовая производительность печи, кг/ч.

Коэффициент полезного действия печи η, %, представляет собой отношение полезно затраченного тепла на технологические процессы Qтех, к количеству тепла, выделившемуся при горении топлива Qгор:

, (2.10)

где Qм – теплота, затраченная на нагрев материала до максимальной температуры обжига, кДж/ч (кДж/цикл);

Qисп – тепло, затраченное на испарение физической влаги из поступающего в печь материала, кДж/ч (кДж/цикл);

Qх – тепло, затраченное на химические процессы, протекающие

в материале, кДж/ч (кДж/цикл).

2.4.1. Расчет горения топлива

Расчет горения топлива необходим для того, чтобы правильно выбрать дутьевые и тяговые устройства к печи, обеспечивающие нормальный процесс горения, движения дымовых газов и необходимый температурный режим в рабочем пространстве печи. Составы различного вида топлива приводятся в прил. 9 – 11. Если для газообразного топлива состав дается на сухой газ, а для жидкого и твердого на горючую массу, то необходимо провести перерасчет всех составляющих на рабочую массу.

Перерасчет производится по следующим формулам:

для газообразного топлива, %

, (2.11)

где – содержание метана в рабочем топливе, %;– содержание метана в сухом топливе, %;W^P – содержание влаги в рабочем топливе, %;

для твердого и жидкого топлива, %

, (2.12)

где C^P, C^Г – содержание углерода в рабочей и соответственно в горючей массе топлива, %; W^P – содержание влаги в топливе, %; А^Р – содержание золы в топливе, %.

По аналогичным формулам пересчитываются остальные составляющие топлива. Обычно содержание влаги в природном газе составляет 0,5 – 1,5%, в мазуте – 2 – 4%.

Теплота сгорания газообразного топлива определяется как сумма произведений тепловых эффектов горения составляющих газа на их количество (и т.д.), выраженное в объемных процентах, для природного газа, кДж/нм³

(2.13)

Теплота сгорания твердого и жидкого топлива определяется по формуле Д. И. Менделеева, кДж/кг

= 339С^Р+ 1030Н^Р – 108,9(О^Р – S^P) – 25W^P, (2.14)

где С^Р, Н^Р, О^Р, S^P,W^P – составляющие элементы рабочего топлива, мас. %.

Расход воздуха на горение

В расчетах принимают следующий состав воздуха, об. %: азот – 79 и кислород – 21. Количество влаги, вносимое атмосферным воздухом, незначительно увеличивает расход воздуха. При расчетах печей влажность атмосферного воздуха можно не учитывать. Теоретически необходимый для горения расход сухого воздуха определяется по следующим формулам:

для твердых и жидких топлив, нм³/кг

L₀= 0,0889С^Р+ 0,265Н^Р – 0,0333(О^Р – S^P); (2.15)

для природного газа, нм³/нм³

(2.16)

Расход атмосферного воздуха при влагосодержании d, г/кг сухого воздуха, нм³/нм³ (нм³/нм³)

= (1+0,0016d)L₀. (2.17)

Практически для полного сгорания топлива требуется подвод воздуха в количестве, превышающем теоретически необходимое, так как трудно достигнуть идеального смешения топлива с воздухом. Действительный расход сухого воздуха с учетом коэффициента расхода воздуха, нм³/кг (нм³/нм³)

L_α= α L₀. (2.18)

Коэффициент расхода воздуха

, (2.19)

где t_T – температура топлива, ^оС;

c_T – объемная теплоемкость топлива, кДж/м³К;

V₀ – общий объем дымовых газов, нм³/нм³;

t_К – калориметрическая температура горения, ^оС;

c_ДГ – объемная теплоемкость дымовых газов, кДж/м³К;

c_В – объемная теплоемкость воздуха, поступающего на горение топлива кДж/м³К;

t_В – температура воздуха, поступающего на горение топлива, ^оС.

Данные по теплоемкости углей приводятся в прил.12. Объемная теплоемкость газообразного топлива, кДж/м^{3 о}С

, (2.20)

где с_i – объемная теплоемкость составляющих топлива (СН₄, СО₂, и др.), кДж/м³К при температуре t_T (прил. 13);

A_i – содержание составляющих топлива, об %.

Теплоемкость мазута, кДж/(кг·К)

С_топл = 1,7386 + 0,0025 · t_топл,

где t_топл – температура подогрева мазута, ^оС.

Для сухого твердого топлива средняя теплоемкость составляет примерно

= 1,05 кДж/кг (2.21)

Для влажного топлива при влажности W^P (%), кДж/кг·К

. (2.22)

Температура топлива принимается в следующих пределах, ^оС: для твердого топлива – равной температуре окружающего воздуха; пылевидного топлива 40 … 50, мазута 55 … 90, природного газа – 0 … 30 ^оС (в зависимости от времени года).

Общий объем дымовых газов при сжигании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, т.е. при α = 1, нм³/нм³(нм³/кг)

. (2.23)

Необходимая теплота подогрева воздуха, кДж/нм³

, (2.24)

где i_Д – тепло продуктов сгорания топлива для заданной действительной температуры t_Д; определяется из i – t диаграммы (прил. 14);

η_П – пирометрический коэффициент полезного действия процесса горения, учитывающий практическое значение тепловых потерь факелом при заданных условиях сжигания топлива. Приближенные значения пирометрического коэффициента приводятся в прил. 15.

Если значение i_ПОД получается отрицательным, то подогрев воздуха не требуется. Температура подогрева воздуха

, (2.25)

где С_в – теплоемкость воздуха, кДж/кг.

Объем отдельных составляющих продуктов горения твердого и жидкого топлив подсчитываются по следующим формулам:

, нм³/кг

= 0,01855 , (2.26)

где – количество фактически сгоревшего углерода, %, равное

= (0,95  0,97)· ; (2.27)

, нм³/кг

= 0,007 ; (2.28)

, нм³/кг

= 0,112 +0,0124(+100·)+0,0016, (2.29)

где W_П – весовое количество пара, вводимого для распыления жидкого топлива, кг/кг топ;

, нм³/кг

= 0,79 +0,008. (2.30)

Для природного газа, нм³/нм³

; (2.31)

(2.32)

; (2.33)

. (2.34)

Калориметрическая температура горения топлива, ^оС

t_K = , (2.35)

где t_Д – действительная температура горения, т.е. температура обжига изделий в печи, ^оС.

Теплоемкость дымовых газов, кДж/(м³·К)

С_ДГ = , (2.36)

где – теплоемкость составляющих дымовых газов, кДж/м³кг при температуре t_K;

–процентное содержание составляющих дымовых газов, %.

Действительный расход атмосферного воздуха при его влагосодержании d, нм³/кг (нм³/нм³)

. (2.37)

Когда известен расход топлива В (кг/ч или нм³/ч), то общий расход сухого воздуха, необходимый для сжигания топлива, нм³/ч

V_возд = В·L_α . (2.38)

Действительный расход атмосферного воздуха, нм³/ч

. (2.39)

Количество и состав продуктов горения при избытке воздуха α вычисляется следующим образом: количество образующегося СО₂ и SO₂ не изменяется с изменением коэффициента расхода воздуха, так как оно зависит только от состава топлива, поэтому

; . (2.40)

см. формулы (2.31), (2.34)

Количество водяного пара и количество азотаподсчитываются соответственно по формулам (2.29, 2.32) и (2.30, 2.33) с заменойL₀ на L_α.

Значение , независимо от вида топлива, нм³/нм³

(2.41)

Общий объем дымовых газов при коэффициенте избытка воздуха, нм³/нм³

(2.42)

Процентный состав продуктов горения; %:

(2.43)

Объем продуктов горения при разных коэффициентах расхода воздуха можно найти, зная разность между объемом продуктов горения и количеством израсходованного воздуха, нм³/кг

ΔV = V₀ – L₀ = V^α – L_α , (2.44)

Так как ΔV не зависит от коэффициента избытка воздуха, а только от состава топлива, то

V₀ = L₀ + ΔV ; (2.45)

= L_α + ΔV. (2.46)

Материальный баланс процесса горения на 100 нм³ составляется по форме (табл. 2.4)

Таблица 2.4