Разработать технологию получения карбида кальция в печах мощностью 100 МВА

 

 

 

 

Тогда активный углерод  в электродной массе составит:

80 – 2,13 = 77,87 %

Плавка карбида кальция  сопровождается расходованием электродов. Это явление вызвано окислением материала электродов на промежутке от контактных щек до поверхности колошника (засыпки шихты в обечайках закрытых печей) за счет кислорода воздуха и участием рабочих концов электродов в восстановительном процессе.

           По данным [1] расход электродной массы составляет 1,7кг на 100 кг извести. Примем, что 50 % материала электродов окисляется за счет воздуха и компонентов собственной золы, а 50 % - расходуется на восстановление компонентов извести. С учетом этого, поступает на восстановление компонентов извести углерода из электродной массы

1,7∙0,7∙0,5∙0,7798 = 0,464кг

Углеродистыми восстановителями должно быть внесено в шихту угля

48,117 – 0,464 = 47,653кг.

Необходимо ввести в  шихту угля

G_к = 47,653/0,4175  = 114кг.

 

 

2.1.2 Расчет количества и состава продуктов плавки

После определения расхода  восстановителя и электродной массы  выполняем уточненный расчет количества и состава карбида кремния, ферросплава  и газовой фазы,  образующихся в процессе плавки. Эти данные сведены в соответствующие таблицы 6,7 и 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6 – Количество и состав карбида кальция

Оксид	Источник поступления			Масса
	Известь	Зола угля	Зола электродной массы	кг	%
CaC2	78,73	4,79	0,01	83,23	73,5
CaO	24,6	2,040	0,002	26,64	24,7
SiC	0,147	0,355	0,005	0,507	0,47
SiO2	0,22	0,533	0,008	0,761	0,71
FeO	0,05	0,048	0,002	0,100	0,09
Al2O3	0,02	0,547	0,009	0,576	0,53
			Итого:	111,81	100

 

Переходит в сплав  СаС₂:

Из извести: 91,5∙0,75∙   = 78,43;

Из золы угля: 114∙0,115∙0,427∙0,75∙ = 4,79;

Из золы электродной  массы: 1,7∙0,07∙0,07∙0,76∙ = 0,01.

Таблица 7 – Количество и состав ферросплава

Элемент	Источник поступления			Масса
	Известь	Зола угля	Зола электродной массы	кг	%
Ca	0,065	0,001	-	0,066	1,72
Si	0,616	0,641	0,022	1,279	33,32
Fe	1,232	0,723	0,014	1,969	51,30
Al	0,175	0,326	0,023	0,524	13,65
			Итого:	3,838	100

 

 

 

 

2.1.3 Расчет количества и состава газовой фазы

Газовая фаза образуется за счет:

1. Оксида углерода, выделяющегося  при протекании восстановительных  реакций.

2. Испарения влаги из сырьевых материалов.

3. Выделения летучих из извести и электродной массы.

4. Испарения компонентов шихты.

1. Образуется оксида  углерода:

G_CO = 48,117∙

= 63,273кг;

G_CO2 = 2,5кг.

Испаряется влаги из сырьевых материалов

G_Н2О = G_к∙

6,2кг.

1. Удаляется летучих из кокса и электродной массы

G_СН2 = G_к∙

= 57,221кг.

2. Переходит в улет

SiO_г = (2,2 + 114∙0,115∙0,30 + 1,7∙0,07∙0,48)∙0,2∙

= 0,908кг;

Са_г = (114∙0,115∙0,427 + 1,7∙0,07∙0,07)∙0,03∙

= 0,12кг;

Аℓ₂О_г = (1,1 + 114∙0,115∙0,154 + 1,7∙0,07∙0,26)∙0,02∙

= 0,043кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 8 – Количество и состав парогазовой фазы

Компонент	Количество, кг	Состав, %
CO	63,273	37,36
H2O	6,2	5,13
CH4	57,221	55,37
SiO	0,908	0,61
Ca	0,12	0,10
Al2O	0,043	0,28
Всего	127,765	100

 

Материальный баланс сведен в таблицу 9.

Таблица 9 – Материальный баланс плавки карбида кальция

 

Задано, кг		Получено, кг
Известь	100	Карбид кальция	107,86
Бурый уголь	114	Ферросплав	3,838
Электродная масса	1,7	Парогазовая фаза	176,032
Итого:	215,7	Итого:	229,575

 

Невязка баланса составляет

 

= 0,05%.

 

 

2.2 Расчет теплового баланса плавки карбида кальция

2.2.1 Цель и методы расчета теплового баланса

 

Целью расчета является определение расхода электроэнергии на выплавку 1 т карбида кальция. Для этого необходимо определить приход и расход тепла, разница между  которыми покрывается подводимой электроэнергией. Приход тепла складывается из тепла экзотермических реакций, к которым относится образование монооксида углерода и образование соединений железа с кремнием в металлическом расплаве.

Расход тепла складывается из следующих частей:

1. Эндотермические реакции  – диссоциация восстанавливаемых оксидов.

2. Тепло, уносимое расплавленными  карбидом кальция, ферросплавом, газами.

2.2.2 Расчет статей прихода тепла

 

1) Реакция С + О₂ = СО                          ∆Н^о₂₉₈ = -112000кДж/кмоль;

Q₁ = G_СО

= 63,273∙ = 253092кДж.

2) Теплота смешения  железа с кремнием.

Теплота смешения одного моля кремния с железом для  разбавленного  раствора может быть описана уравнением [4]: T = 2200⁰C

∆Н_смSi = - 119244 + 25,58ТДж/гАSi;

∆H = -63180,7 кДж/моль

Q_смFeSi2200 =

∆Н_смSi = 2886кДж.

3) Теплота смешения  кальция с углеродом.

Теплота смешения одного моля кальция с углеродом для  разбавленного раствора может быть описана уравнением [4]: Т = 2200⁰С

Са + 2С = СаС₂;

∆Н_смСа = -210094 + 58,45Т Дж/гАСа;

∆Н = -81504 кДж/моль

Q_{смСаС2 2200} =

∆Н_смСаС2 = 91778кДж.

Итого приход тепла составит:

Q_прих = 253092 + 2886 + 91778 = 357756кДж.

 

2.2.3 Расчет расхода тепла

Расчет  тепловых затрат

На диссоциацию оксидов:

1) Аℓ₂О₃ → 2Аℓ + ∙О₂       ∆Н^о₂₉₈ = 1680000кДж/кмоль; [4]

q₁ = G_Aℓ∙

= 0,524∙ = 13091кДж.

2) Аℓ₂О₃ → Аℓ₂О + О₂           ∆Н^о₂₉₈ = 1535110кДж/кмоль;

    q₂ = G_Aℓ2О

= 0,489∙ = 5570кДж.

3) SiO₂ → Si + O₂                ∆Н^о₂₉₈ = 600000кДж/кмоль;

q₃ = G_Si∙

= 1,279∙ = 27407кДж.

4) SiO₂ → SiO + ∙O₂           ∆Н^о₂₉₈ = 447000кДж/кмоль;

   q₄ = G_SiO∙

= 1,083∙ = 5344кДж.

5) Fe₂O₃ → 2Fe + ∙О₂       ∆Н^о₂₉₈ = 818000кДж/кмоль;

q₅ = G_Fe∙

= 1,969∙ = 15367кДж.

6) СаО → Са + ∙O₂         ∆Н^о₂₉₈ = 635090кДж/кмоль;

  q₅ = G_Са∙

= 0,868∙ = 825974кДж.

 

Тепло диссоциации известняка.

При диссоциации извести  по реакции

СаСО₃ → СаО + СО₂ – 177237кДж/кг∙моль СО₂

поглощение тепла  равно

Q₆ =

∙177237 = 10070кДж,

где 2,5 – количество СО₂, выделившегося из извести, кг;

       44 –  молекулярный вес СО₂, кг;

      17237 –  тепловой эффект диссоциации  СаСО₃, кДж/кг∙кмоль СО₂.

Итого расход тепла на эндотермические реакции

Q_энд = 902763кДж.

 

Определение теплосодержания карбида кальция

           Энтальпия жидкого сплава может  быть рассчитана по уравнению

Q₂ = , (1)

 

где G_сп – вес сплава карбида кальция;

       ;

       М_i – молекулярный вес i-ого компонента сплава;

       X_i – мольная доля i-ого компонента сплава;

       ∆H_i -  теплосодержание i-ого компонента сплава, причем, если t_сп < t_пл   i-ого компонента, нужно учитывать теплоту плавления компонента, т. е.  ∆Н_i + ∆Н_пл.ⁱ.

Состав сплава в молярных долях по данным таблицы 5 приведен в таблице 10.

Таблица 10 – Состав сплава в мольных долях

Компонент сплава	CaC2	СаO	SiC	SiO2	FeO	Al2O3
Молярная доля	0,835	0,153	0,004	0,004	0,001	0,003

 

Тепло сплава выражается величиной

Q₂ = [Н^м_сп + Н_СаС2∙N_СаС2 + (Н_СаО + ∆Н^пл_СаО)∙N_CaO + H_SiC∙N_SiC + H_SiO2∙N_SiO2 + H_FeO∙N_FeO + H_Aℓ2O3∙N_Aℓ2O3]∙

= [0 + 59,9∙0,835 + 154,2∙0,153 + 89,0∙0,004 + 115,2∙0,004 + 155,0∙0,001 + 240,0∙0,003]∙ = 152837кДж.

            

Определение теплосодержания ферросплава

В результате реакций  восстановления окислов шихты на каждые 100кг извести образуется 4,021кг ферросплава.

Количества тепла, прошедшего на нагревание металла от 298 К до 2200 К, может быть определено по формуле (1).

          Состав металла в атомных долях приведен в таблице 11.

         Таблица 11 – Состав металла в атомных долях

Компонент ферросплава	Са	Si	Fe	Al
Атомная доля	0,022	0,391	0,413	0,174

 

= 39,654.

Тогда

Q₅ = [H^M + ∆H_Si∙N_Si + H_Fe∙N_Fe + ∆H_Ca∙N_Ca + ∆H_Aℓ∙N_Aℓ]∙ = [- 35 + 102,9∙0,391 + 100,1∙0,413 + 36,2∙0,022 + 67,2∙0,174]∙ = 6716кДж.

 

Определение потерь тепла с отходящими газами

При восстановлении 100кг извести образуется 176,032кг газовой фазы, состоящей в основном из оксида углерода.

На основании экспериментальных  данных принимаем, что около 80% газов  покидают рабочее пространство при  температуре 900 К и 20% (в период проплавления и доводки) при Т = 2000 К. Из справочных данных принимаем, что влага испаряется на колошнике при т = 373 К.

Теплосодержание основных компонентов газовой смеси составляет (таблица 12).

Таблица 12 – Теплосодержание основных компонентов газовой смеси

Компонент	Н900 – Н298, кДж/кмоль	Н2000 – Н298, кДж/кмоль	ΔНΣ, кДж/кмоль
СО	62760	125320	62760∙0,8 + 125320∙0,2 = 75272
СН4	18225	56162	18225∙0,8 + 56162∙0,2 = 13690

 

q_CO =

= 170096кДж;

q_CH4 =

= 73259кДж.

Принимаем, что гигроскопическая влага полностью испаряется на колошнике  при 373 К.