Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 206
Скачиваний: 4
Объемы азота п кислорода могут быть найдены из выражений
= 0 ,7 9 ѴѴ+0,01Л^2 Т0ПЛ нм3/нм3\ |
(3.44) |
|
Ѵ02= 0,21 (а — 1) Ѵо' нм3/нм3. |
(3.45) |
|
И, наконец, количество |
водяных паров, которое |
содержится |
в продуктах сгорания: |
|
|
[ |
/71 |
|
(Н2+ 2С Н 4+ JJ — СпНт+ Н 2+ |
|
|
+ H 2S+0,124(dr+ W dB )] нм3/нм3, |
(3.46) |
|
где dr и сів — соответственно влажность газа и воздуха, г/нм3, |
||
а |
5 |
|
ОЛ |
0,5 |
0,6 |
d, |
ол |
Oß |
Oß |
d2 • |
|
||
Рис. 3.4. Кривые зависимости: |
|
|
||||||||
а |
нсо |
; |
(«: QS); б - |
кн2 |
|
|
||||
°СО, |
РН,0 |
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
" /і (*: Q S ): |
1 — і |
— соответственно для |
неф |
|
||||||
тяного |
(QP = |
11800); |
природного |
(QP = |
8350): |
|
||||
природно-коксовального |
(Q„ = 7210); |
коксо |
|
|||||||
вального |
(QH = 4080); |
коксодоменного |
(QP = |
|
||||||
= 3000); |
коксодоменного (Qp = |
2400) и |
водяно |
|
||||||
|
го |
газа (Qp = 2440 ккал/нм*). |
|
|
|
|||||
В формулах (3.42) — (3.46) |
компоненты элементарного состава |
|||||||||
подставляются в процентах. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Суммарный объем продуктов естественной печной атмосферы |
||||||||||
■с окислительными свойствами запишется так: |
|
|
|
|||||||
S Ѵ і= ѴдОг+Ѵ^Ча+Ѵог+^НгО,' |
|
|||||||||
І=і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V i= VcO«+ ^N2+ ^ 02+ ^НгО HM3/нм3. |
(3.47) |
|||||||||
г=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-‘56
Объем дымовых газов, образующихся в печи, находится в ео-
4
ответствии со значением а и обозначается ^ 1/,-а. г=і
Как было уже отмечено выше, расчет процесса горения при не достатке воздуха-окислителя имеет большое практическое значение.
Рассмотрим |
случай горения в |
печи безокислительного нагрева. |
В сварочной |
и томильной зонах |
(камере) печи образуется естест |
венная атмосфера (СО2, СО, Н2, Н20 и N2), обладающая восстано |
||
вительными свойствами. |
(а < 1 ) предшествует определение |
|
Расчету |
процесса горения |
коэффициента избытка воздуха. С этой целью используется диа грамма окисления-восстановления стали. По температуре tT в рас сматриваемой зоне (камере) находят равновесные отношения (кон станты равновесия)
< |
РСО |
РЯ, |
k l = ------ |
И &2= |
|
|
рСОа |
РН20 |
Затем по графикам (рис. 3.4) определяют величину а (в зонах дожигания СО и Н2 печи а принимается равным 1,02— 1,07).
Определяя а и используя положения термохимии, по углероду, водороду и кислороду записываем балансовые уравнения:
|
2 |
|
|
|
/ |
|
(3.48) |
|
2 |
пѵ1Ѵ°ѵі - |
2 |
пУ ‘с’ |
|||
|
£=i |
|
|
|
i=i |
|
|
|
^ m v . V Hv. = |
2 |
т ;У'н; |
(3.49) |
|||
|
1=1 |
|
1 |
|
1-1 |
|
|
|
І |
b.Voy |
= |
2 |
к‘ѴѴ |
(3.50) |
|
|
і=1 |
|
* |
|
1=1 |
|
|
где пѵ., ту., |
kv. — соответственно |
коэффициенты при |
элементах |
||||
|
С, Н |
|
и О, |
входящих в состав продуктов сго |
|||
|
рания |
|
(пѵ. = |
1; |
mvt = 2 и кѵ. —Ч |
при С02 |
|
пг, ті и |
и kv. = |
1 при СО и Н20); |
|
||||
— то же, |
но элементов, входящих в компоненты |
топлива; Ксѵ.>Ѵну и Ѵоу — соответственно компоненты продуктов сгорания,
имеющие в |
своем составе |
углерод, |
водород |
|
и кислород, |
H M S /H M 3; |
|
|
|
V,'с, К,-'н и К,-'о — соответственно |
компоненты |
топлива, |
содержа- |
|
щие С, Н и О, |
нм3/нм3-, |
|
|
/— число компонентов топлива, соответственно содержащих С, Н и О.
57
Поясняя сказанное, для коксовального газа (СО = 5, Н2= 50,
СН4= 2 4 , С2Н4= 2,4, С02= 2 ,6 и N2= 16%) запишем |
балансовые |
|
уравнения по углероду, водороду и кислороду. |
(а < 1 ) |
образуются |
При сжигании указанного горючего газа |
||
СО, СОо, Н2 и Н20 . По углероду |
|
|
1 нлі3 СОг*+1 нм3С 02г->-1 нм3СОт+ 1 |
нм3СН4Т+ |
|
+ 2 нм3С2Н4Т+ 1 нм3СОгт. |
|
|
По водороду |
|
|
2 нм3Н2г+ 2 нм3 Н2Ог->-2 нм3 Н2т+ 4 нм3 СН4т+ 4 нм3 С2Н4т.
По кислороду
1 нм3 СОг+ 2 нм3 С02г-И нм3 СОт+ 2 нм3 ССѴ+2 нм3 0 2во.
Подставляя значения компонентов топлива, записываем
1 нм3 СОг+ 1 нм3 С 02г-ѵ1 нм3-0,05+1 нм3-0,24+2 нм3-0,024+
+ 1 нм3-0,026;
2 нм3 Н2г+ 2 нм3 Н2Ог-^2 нм3-0,5+4 нм3-0,24+4 нм3-0,024
и
1 нм3СОг+ 2 ниі3С02г->-1 нлг3-0,026+2 нлі3-0,026+2 нм3(аѴo').
В окончательном виде получим:
Рсо+1+о2= 0,05+0,24+2 • 0,024+0,026;
2Ѵ+.+2 Ѵя2о= 2 ■0,5+4 • 0,024+4 • 0,024
и
Ѵсо+2У со2= 0,026+2• 0,026+2(аѴ0') нм3/нм3.
Решение этих уравнений относительно интересующих нас вели чин выполняется совместно с выражением
|
Рсо |
Рн2о |
(3.51) |
|
Р С О г |
РН2 |
|
|
|
||
где |
k — константа равновесия, k = kik2] |
|
|
Рсо, |
рсог, рн2 и рн2о — парциальные давления газов, составляющих |
||
|
продукты сгорания: |
|
|
|
|
Р2 |
|
|
Рі = |
2 Vi р; |
|
р— давление в зоне, ага.
*Индексы г и т при компонентах уравнений баланса соответственно отно сятся к дымовым газам и топливу.
58
Суммарный объем дымовых газов при неполном горении
У Ѵі= Vc0-)-Vc02+ ^Hs+^HsO+l^Ns нм3/нм3. |
(3.52) |
І = і |
|
Здесь объем азота VN2 находится по выражению (3.44).
На этом расчет процесса горения топлива в печи заканчивается.
3.5. ПРИНЦИПЫ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
|
Рассмотрим варианты получения рабочей смеси |
(топливо, воз |
|
дух), которые удовлетворяли бы коэффициенту |
избытка воздуха |
||
1 |
1. |
в |
сжигательную |
|
Наиболее простой способ — подвод топлива |
камеру. Сюда же раздельно от топлива поступает воздух-окисли тель. Горение происходит в результате диффузии окислителя в струю горючего газа. Такой принцип смесеобразования носит на звание диффузионного. В силу того, что скорость химических реак ций горения при высокой температуре в камере несоизмеримо выше скорости смесеприготовления, скорость горения всегда равна ско рости смесеприготовления, в данном случае диффузии кислорода. Это — исключительное достоинство диффузионного принципа, так как при этом практически возможно регулировать скорость горения в широких пределах. Изменяя интенсивность смешения конструк тивным путем (дробление или укрупнение струи газа), а также скорость подачи газа в камеру горения, можно увеличить или сокра тить зону диффузии окислителя и тем самым изменять длину факела горения. При этом наибольшая длина пламени получается при ла минарном истечении горючего газа в камеру, так как в этом случае смешение происходит исключительно за счет молекулярной диффу зии кислорода воздуха в струю горючего газа.
Второй способ смесеобразования заключается в том, что рабо чая смесь получается в специальных устройствах с различными коэффициентами избытка воздуха. К очагу горения подается пол ностью подготовленная смесь топлива с воздухом, обладающая большой однородностью. Смесь сгорает практически мгновенно, и скорость распространения пламени в этом случае не играет суще ственной роли в процессе. Сгорание смеси полностью определяется скоростями ее приготовления и поступления в кратер горелочного устройства. В связи со сказанным можно заметить, что теплонапряжение туннеля (при кинетическом способе приготовления смеси) печей составляет (15—50) ■ІО6 ккал/м3-ч, что лишний раз позволяет
убедиться в незначительном влиянии скорости ѵп на процесс го рения.
Второй способ сжигания топлива называется кинетическим. Наряду с диффузионным и кинетическим принципами горения,
которые являются крайними, существует масса промежуточных способов. Один из них — горение в зоне печи безокислительного нагрева стали в открытом пламени. Промежуточные способы отве-
59
чают схеме, когда в горелочном устройстве приготавливается рабо чая смесь, содержащая только часть воздуха, необходимого для полного горения (а < 1 ), а остальной воздух поступает извне уже в процессе горения топлива. Воздух, идущий на образование газо воздушной смеси в горелочных устройствах, носит название первич
ного, а поступающий непосредственно в рабочее пространство —
вторичного.
Изменяя состав смеси в горелке, можно перейти от кинетиче ского ( а ^ І ) к чисто диффузионному (а = 1 ), пройдя последова тельно все промежуточные этапы смесеобразования.
Сжигание газа по смешанному принципу обеспечивает работу горелок на газовоздушных смесях, находящихся вне пределов вос пламеняемости (<х=0,2—0,6). Последнее позволяет регулировать нагрузку в широких пределах.
Устойчивость факела и его размеры имеют важное значение при нагреве металла. Часто стремясь увеличить лучистую составля ющую теплового потока к металлу, процесс горения организуют таким образом, чтобы он заканчивался на небольшом участке рабо чего пространства в пределах сравнительно короткого огнеупорного туннеля. Сокращение длины факела снижает образование окалины и местный перегрев заготовок или изделий. Это особо важно в пе чах с ограниченным объемом рабочего пространства, как это имеет место при термической обработке. Несколько раньше говорилось, что размеры факела при диффузионном и кинетическом горении могут сравнительно легко регулироваться, корректируя коэффи циент избытка воздуха. Однако регулирование процесса горения за счет изменения а допускается не во всех случаях.
Чтобы найти дополнительные возможности регулирования раз меров факела, а также повысить его устойчивость, несколько под робнее рассмотрим процесс кинетического горения. Принимая во внимание, что диффузионный принцип сжигания горючих газов в промышленных печах используется реже, рассмотрим закономер ности, касающиеся лишь кинетического принципа.
Наблюдая за горением, удается выделить в факеле три харак терные зоны. Зоны в видимой части факела отчетливо различимы как при горении в свободной струе, так и керамическом туннеле (рис. 3.5).
Первая зона, считая от кратера горелки до фронта воспламене ния, по оси струи характеризуется отрезком k (зона 1). Изоповерх ность С02, соответствующая фронту зажигания (СО2= 0 ), образует конус зажигания 1 факела. За ним следует участок /2 (зона 2), на котором происходит основное выгорание горючих элементов топлива (СО,., =80% ). Пространство между изоповерхностями СО,0, = 0
и СО,., = 8 0 характерно ярким свечением факела. Из рис. 3.5 видно,
что зоны 1 и 2 по оси факела соответственно равны 5d и 9d (считая от кратера горелочного устройства). На участке между 5d и 9d наблюдается очень быстрое нарастание степени выгорания горючих элементов. Затем на отрезке /3 (третья зона), начиная от изолинии
60