Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.3 - Материальный баланс плавки
Поступает, кг		Получается, кг
сухое дутье	1265,3	чугун	978,8
влага дутья	9,82	шлак	419,3
технологич кислород	129,6	колошниковый газ	2144,76
природный газ	84,26	влага газов	98,78
кокс влажный	470`
агломерат	337,43
окатыши	1348,8
всего	3645,2	всего	3641,6

 

6. ОБЩИЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Тепловой  баланс составляется с целью установления обеспеченности процесса теплом при  проектировании и выяснении причин изменения расхода кокса в  конкретных случаях доменной плавки. В нашей стране общие тепловые балансы составляются чаще всего  по методикам академика М.А. Павлова. Ниже приведены особенности этой методики, так называемого первого  способа составления баланса.

1. Тепловой баланс составляется по начальному и конечному состояниям.

Например, оксиды железа претерпевают в доменной печи ряд превращений (Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe), а в общем балансе учитывается только начальное (Fe₂O₃ и Fe₃O₄) и конечное состояние оксида (Fe_чуг). Углерод в доменной печи окисляется в различных процессах (при горении, восстановлении железа и примесей), а в общем тепловом балансе учитывается начальное состояние его в коксе и топливной добавке и конечное в газе (С → СО, СО₂).

2. Процессы восстановления в общем тепловом балансе по первому способу

представлены  реакциями диссоциации восстанавливаемых  оксидов в расходных статьях  баланса и реакциями окисления  углерода в приходной части баланса. Например, тепловой эффект реакции  FeO + C = Fe + CO, равный – 152,19 МДж, представлен затратами тепла на диссоциацию оксида железа (FeO → Fe + 0,5О₂ – 270,035 МДж) в расходной части баланса и поступлением от окисления углерода C + 0,5О₂ = СО + 117,845 МДж в приходной части его.

Тепловой  эффект окисления углерода зависит  от степени графитизации углерода, находящейся обычно в пределах 0,5-0,6. А.Н. Рамм рекомендует использовать следующие значения теплового эффекта  окисления углерода кокса:

33,4 МДж  (7980 ккал)/кг для реакции С + О₂ = СО₂;

9,8 МДж  (2340)/кг для реакции С + 0,5О₂ = СО.

3. В общем  тепловом балансе не учитываются  особенности окисления углерода: в процессе горения у фурм  углерод окисляется только до  оксида углерода, а происходящее  при восстановлении окисление  оксида до диоксида характеризует  использование углерода как восстановителя, а не как источника тепла.

Отмеченные  особенности облегчают составление  балансов, так как при этом не рассматривается многообразные  реакции процесса. Эти же особенности  позволяют считать один и тот  же углерод в доменной печи и источником тепла, и восстановителем.

Приходную часть общего теплового баланса  составляют тепло от окисления углерода до оксида (60-80%), тепло от окисления  водорода (до 15 %), теплота шлакообразования (до 2,5 %), физическое тепло горячего дутья (14-20 %) и физическое тепло шихты (до 5 %).

По общему тепловому балансу 60-70 % тепла от итога расходуется на диссоциацию  восстанавливаемых оксидов, 10-15 % на нагрев чугуна, 6-10 % на нагрев шлака, от 0,5-5 до 15 % (при плавлении бурых  железняков) на выделение и испарение  влаги, до 10 % на разложение карбонатов при проплавке бедного неюфлюсованного  сырья, до 8-10 % на потери с колошниковым газом и 6-12 % на потери в окружающую среду и неточности расчета.

Второй  способ составления общего теплового  баланса включает действительный (фактический) расход тепла и отличается от первого  статьями прихода и расхода тепла. Ряд статей прихода тепла, рассчитанных по первому способу, является фиктивным, сто отмечалась выше. В  печи не выделяется тепло от окисления углерода прямого  восстановления и догорания монооксида углерода. Подобное допущение компенсируется соответствующим увеличением расхода  тепла на диссоциацию оксидов. Таким  образом, баланс в целом не нарушается, но следует иметь в виду, что  он не соответствует действительному  расходу тепла на процесс.

В соответствии с этим меняется и доля статей баланса  в приходе и расходе тепла, хотя, например, абсолютные значения потерь тепла, поступление тепла с нагретым дутьем (в МДж) остаются прежними.

 

6.1. Приход тепла

6.1.1. Горение природного газа у  фурм

110*1,73 = 190,3 МДж,

где  1,73= (9,46*1,59+2,15*6,05+0,62*10,1+0,14*13,8+0,09*18,5)/100– теплота горения  природного газа, МДж/м³;

100 – расход природного газа, м³.

 

6.1.2. Горение углерода кокса у фурм

Выделяется  тепла при горении 1 кг углерода кокса 9,8 МДж или на 1м³ образующего СО

9,8*12/22,4 = 5,25 МДж.

При окислении  углерода кокса у фурм образуется монооксида углерода = 618-112,9=505,1м³,

с выделением тепла в количестве = 2651,8 МДж,

где 614,3  – образующийся на фурмах СО, м³ (п. 5.5.1);

6.1.3. Физическое тепло нагретого дутья

При снижении температуры дутья в воздухопроводах  и фурменных приборах на 1 % оно  поступает в горн с температурой = 1089 ºС.

Вносится  тепла:

сухим  1089*982,4*1,419*10^-3=1518,1   МДж;

влагой дутья  12,2*1089*1,746*10^-3=23,2 МДж;

кислородом  для обогащения  = 162,25МДж.

Расходуется на диссоциацию влаги дутья

12,2*10,8 = 131,76 МДж,

где 10,8 –  теплота диссоциации водяного пара, МДж/м³.

Всего 1518,1+23,2+162,25-131,76 = 1571,79 МДж.

6.1.4. Физическое тепло природного  газа

110*40*1,59*10^-3 = 7 МДж,

где   1,59 – теплоемкость природного газа при 40 °С, кДж/(м³*град).

Всего выделяется тепла в области горения у фурм = 4420,9 МДж.

6.1.5. Окисление углерода в процессах  прямого восстановления

134,57*5,25 = 706,5 МДж.

где   134,57= (11,89 + 60,2) * 22,4/12 – количество монооксида углерода, образующегося в процессах прямого восстановления железа и примесей, м³;

60,2 и 11,89 – расход углерода на прямое восстановление, кг (п. 5.3).

6.1.6. Окисление СО и СО₂ в процессах непрямого восстановления

310,2*12,64 = 3920,9МДж,

где 310,2– количество образующегося в печи диоксида углерода, м³ (п.5.7.1.);

      12,64 – теплота окисления СО  и СО₂, МДж/м³.

6.1.7. Окисление Н₂ и Н₂О в процессах непрямого восстановления

110,9 *10,8 = 1197,7МДж,

где  110,9 – количество образующегося в печи водяного пара, м³ (п. 5.7.5.);

10,8 – теплота  окисления Н₂ и Н₂О, МДж/м³.

Всего выделяется тепла в области восстановления 706,5+3920,9+1197,7 = 5825,1 МДж.

 

 

6.1.8. Шлакообразование

При наличии  в шихте свободных оснований  тепло, выделяющееся при шлакообразовании, может быть вычислено по формуле

G = 4,187*10^-3*270*(CaO + MgO), МДж,

где  CaO и MgO – количество свободных (не связанных в силикаты) извести и магнезии, кг.

В нашем  примере приход тепла по этой статье отсутствует, так как проплавляется  подготовленное железорудное сырье.

6.1.9. Физическое тепло шихты

Вносится  тепла:

агломератом при 300 С	92,1
окатышами при 20 С	23,73
коксом при 20 С	9,4

Расходуется тепла на выделение и испарение  влаги шихты

Н₂О_гигр*2,49 + Н₂О_гидр*4,98 = 9,68*2,49 = 24,1 МДж,

где 2,49 и 4,98 – теплота выделения (испарения) гигроскопической и гидратной  влаги, МДж/кг;

9,68 – количество влаги в коксе, кг.

Всего вносится тепла шихтой = 101.3 МДж

Всего вносится тепла в печь (итог теплового баланса) 101,3+4420,9+5825,1 = 10347,3МДж.

 

 

6.2. Расход тепла

6.2.1. Диссоциация оксидов

Fe2O3(193,4+1009,7)*7,36*112/160=6198 МДж

FeO=(135,4+47,83-1,18)*5,19*56/72= 734,8 МДж

SiO2   6,0*31,8=190,8 МДж                  

MnO   9,02*7,36=66,38 МДж

P2O5   2,42*32,7=79,13 МДж

Расходуется теплоты на связывание 6,51 к серы в шлак 6,51*5,42= 35,28 МДж

Всего 6198+734,8+190,8+66,38+79,38+35,28=7304 МДж

 

6.2.2. Диссоциация карбонатов(отсуствует)

6.2.3. Тепло чугуна

1521+30*1,55-0,61*1,46-1666*0,02=1533,3 ºС

Теплосодержпние по М.А.Павлову I_чуг=1,3 МДж/кг

Расход тепла  на нагрев чугуна  978,8*1,3=1272,44МДж.

6.2.4. Тепло шлака

Температура шлака обычно на 40-60 ºС выше температуры  чугуна. При величине превышения 40 ºС она составляет

t_шл = 1533,3+40=1573,3ºС.

Теплосодержание шлака по М.А. Павлову при t_шл>1450 ºС

i_шл = 1,97 МДж/кг.

Расход тепла на нагрев шлака = 419,3*1,97=826МДж

 

6.2.5. Тепло колошникового газа

При температуре колошникового газа 180 ºС унос тепла 1675,6 сухого газа (см. табл. 5.2) составляет = 393,6 МДж

Водяной пар газа  уносит тепла = 122,94*180*1,518*10^-3= 33,6 МДж.

Всего 427,2 МДж,

Где 1,305 и 1,518 теплоемкости двухатомных газов  и водяного пара соответсвенно при 180 ºС (см.приложение табл.2)

Всего расход тепла без учета потерь во внешнее  пространство

7304+1272,44+826+427,2= 9829,6 МДж

6.2.6. Потери тепла

Эта статья, включающая также погрешность расчетов, определяется по разности между приходом и расходом тепла

10347,3-9829,6=517,7

что составляет

517,7*100/10347,3= 5 %.

 

 

 

 

6.3. Тепловой баланс по  второму способу

 

Рассчитанные  по первому и второму способам балансы сведены в табл. 6.1.

Приходную часть баланса по второму способу  составляют статьи п. 6.1.1 – 6.1.4, т.е. тепло, выделяемое на фурмах и физическое тепло шихты.

В расходе  при этом учитывается тепло, затрачиваемое  в процессах прямого и непрямого  восстановления, определяемое по разности затрат тепла на диссоциацию оксидов  и прихода тепла от окисления  восстановителей

 

п. 6.2.1 – (п. 6.1.5 + п. 6.1.6 + п. 6.1.7) =

= 7304 -(706,5 +3920,9+1197,7)= 1478,9 МДж,

а также тепло  чугуна, шлака, газа.

Потери тепла  по второму способу  4522,24 – 4004,54=517,7

Что составляет 517,7*100/4522,24= 11,4%

По первому  и второму спсособам составления  балансов абсолютные значения потерь тепла получаются одинаковыми, относительные- отличаются более чем в 2 раза.

 

Таблица 6.1  Тепловой баланс
Статьи балансов	Первый способ		Второй способ
	МДж/т	%	МДж/т	%
Приход тепла
1. Горение природного газа у  фурм	190,3	1,84	190,3	4,2
2. Горение  углерода кокса   у фурм	2651,8	25,63	2651,8	58,64
3. Физическое тепло нагретого дутья  за вычетом разложения влаги  дутья	1571,79	15,9	1571,79	34,75
4. Физическое тепло природного  газа. Всего в области горения	7	0,07	7	0,17
	4420,9	42,73	4420,9	97,75
5. Окисление углерода в процессах  прямого восстановления	706,5	6,83
6. Окисление СО в СО2 в процессах  не прямого восст	3920,9	37,89
7. Окисление Н2 вН2О в процессах непрямого восст	1197,7	11,5
. Всего в области восстановления	5825,1	56,29
8. Физическое тепло шихты за  вычетом теплоты разложения влаги шихты	101,3	0,97	101,3	2,24
Суммарный приход тепла	10347,3	100	4522,2	100
1. Диссоциация оксидов железа, примесей  чугуна и перевод S в шлак	7304	70,59
2. Восстановление оксидов			1478,9	32,7
3. Тепло чугуна	1272,44	12,29	1272,44	28,14
4. Тепло шлака	826	7,98	826	18,26
5. Тепло колошникового газа	427,2	4,12	427,2	9,4
6.Потери тепла	517,7	5	517,7	11,45
Суммарный расход тепла	10347,3	100	4522,24	100