Post on 15-Feb-2015
description
transcript
1. Bilantul termic al cuptorului electric cu arc .
Elaborarea şi analiza bilanţurilor energetice este reglementată prin lege şi trebuie să se transforme într-o activitate sistematică care are drept scop reducerea consumurilor de combustibil şi energie prin ridicarea continuă a performanţelor energetice ale tuturor instalaţiilor, sporirea eficienţei întregii activităţi energo-tehnologice
Elaborarea şi analiza bilanţurilor energetice constituie cel mai eficient mijloc de stabilire a măsurilor tehnico-organizatorice menite să conducă la creşterea efectului util al energiei introduse într-un sistem, la diminuarea consumurilor specifice de energie pe produs.
Modelele matematice pentru realizarea bilanţurilor energetice au la bază principiul conservării energiei. În acest sens, se defineşte mulţimea mărimilor de intrare, se calculează pierderile din conturul de bilanţ, pe categorii de procese, se stabilesc valorile randamentelor şi se constituie setul mărimilor de ieşire.
Elaborarea bilanţurilor energetice pentru sistemele în funcţiune se face în scopul ridicării calităţii exploatării, a stabilirii structurii consumului util şi a pierderilor de energie, în vederea sporirii randamentelor, recuperării eficiente a resurselor energetice secundare, atingerii parametrilor optimi din punct de vedere energo-tehnologic..
Bilantul real are drept scop confirmarea mentinerii in timp a parametrilor tehnologici si energetici ai echipamentului (instalatiei) la valorile de referinta si evidentierea cauzelor abaterilor si masurile care trebuie luate.
Bilantul optimizat se elaboreaza de fiecare data cand se elaboreaza bilantul real. El ia in considerare efectul masurilor de crestere a eficientei enrgetice a echipamentului (respectiv instalatiei) identificate la momentul respectiv prin analiza bilantului real.
In cazul in care, prin aplicarea masurilor mentionate, parametrii energetici si tehnologici ai echipamentului rezulta a fi mai buni decat
valorile de referinta, ei devin valori de referinta si se fac modificarile corespunzatoare in cartea tehnica a echipamentului.
2.1.MODELUL MATEMATIC PENTRU CALCULUL BILANŢULUI ENERGETIC AL CUPTORULUI CU ARC ELECTRIC
Modelarea matematică a unui proces constă în descrierea unei dependenţe între parametrii de intrare şi de ieşire ai procesului respectiv.Modelul matematic permite determinarea principalilor parametri ai cuptorului şi intocmirea bilanţului termic, stabilind cantitaţile de căldură intrate şi ieşite,eroarea de bilanţ şi indicii tehnico-economici.
Bilanţul termic, expresie a primului principiu al termodinamicii, stă la baza calculelor consumului de căldură al agregatelor termotehnologice şi determină, totodată, distribuţia căldurii în diferitele părţi componente ale acestora .Pe baza analizei bilanţului termic al unui cuptor în exploatare se pot scoate în evidenţă cauzele unei funcţionări termice necorespunzătoare a cuptorului şi, prin aceasta, să se indice măsurile corespunzătoare pentru înlăturarea acestora.Sub forma sa cea mai generală, ecuaţia unui bilanţ termic poate fi scrisă:
Qt = Qu + QP
în care Qt este căldura intrată în conturul considerat; Qu —- suma cantităţilor de căldură utilizate în interiorul
acestui contur Qp— suma cantităţilor de căldură ieşite din conturul cuptorului şi
care se consideră pierdute. Prin noţiunea de contur al bilanţului termic se înţelege delimitarea spaţiului faţă de care se consideră intrările şi ieşirile de energie.Qi se consideră căldură intrată= suma cantităţilor de.căldură chimică adusă de agentul de încălzire Qcc şi a cantităţilor de căldură fizică Qfiz a tuturor purtătorilor de energie intraţi în cuptor (combustibil, aer, material, suporţi etc).Deci:
Qi = Qcc + Qfiz
în ceea ce priveşte căldura utilă, în mod convenţional ea este considerată cantitatea de căldură consumată în cursul procesului termic, pentru ansamblul transformărilor materialului în spaţiul cuptorului, şi se exprimă :
Qu= Qteoretic+Qapă
Pentru calculul termenilor de bilanţ, pe baza modelului matematic, s-a întocmit un program de calcul in Excel unde se introduc datele initiale (cunoscute din masurători ) şi se calculează cantităţile de căldură intrate şi ieşite, eroarea de bilanţ şi indicatorii tehnico-economici.
1.1.RELAŢIILE DE CALCUL UTILIZATE
A. Călduri intrate
Căldura dezvoltată de arcul electric :
kcal/t
Căldura reacţiilor exoterme (Qex)
Căldura sensibilă a încărcăturii : kcal/t
Căldura sensibilă a oxigenului insuflat :
kcal/t
Căldura sensibilă a aerului aspirat în cuptor:
kcal/t
Căldura chimica a gazului metan consumat
Qgn=Dc Hi 1/P kcal/t
Căldura sensibila a gazului metan consumat
Qsg=Dc cc tc 1/P kcal/t
Total căldură intrată:
+ Qsg + Qgn kcal/t
B. Călduri ieşite
Căldura sensibilă a oţelului lichid :
kcal/t
Căldura consumată pentru evaporarea umidităţii din încărcătură:
kcal/t
Căldura sensibilă a zguri lichide :
kcal/t
Căldura sensibilă a gazelor arse:
kcal/t
Căldura preluată de praful antrenat cu gazele arse :
kcal/t
Căldura consumată cu reacţiile endoterme (Qend)
Căldura pierdută prin mantaua cuptorului
– Căldura pierdută prin bolta, pereţii şi vatra cuptorului este cuprinsă între 5-10 % din totalul căldurii intrate. Se adoptă 8 %.
kcal/t
Căldura pierdută cu apa de răcire :
kcal/t
Căldura pierdută prin radiaţie în timpul insuflării oxigenului şi grafitului:
kcal/t
Total căldură ieşită :
kcal/t
2.2.ANALIZA FUNCŢIONĂRII CUPTORULUI ELECTRIC CU ARC IN CONDITIILE ACTUALE
2.2.1. Bilantul de materiale
Pentru analiza funcţionării cuptorului electric cu arc s-a facut bilantul de materiale pe baza cantităţiilor şi compozitiilor de materiale intrate şi ieşite.
Materia primă folosită pentru elaborarea oţelului este prezentată în tabelul 2.1.
Tabelul 2.1. Materiale intrate în cuptorNr.crt. Denumirea materialului U.M. Cantitate
1 Fier vechi kg/t 1180
2 Var kg/t 26.6
3 Dolomită kg/t 5,40
4 Cocs (carbon vrac ) kg/t 5,00
5 Fluorură de calciu kg/t 0,1
6 Grafit insuflat kg/t 8
7 Oxigen insuflat m3N/t 43
8 Electrozi kg/t 2,4
Compoziţia chimică a acestor materiale este prezentată în tabelul 2.2, iar a oţelului lichid la evacuare şi a zgurei lichide rezultate sunt evidenţiate în tabelele 2.3, respectiv 2.4.
Ţinând seama de cantităţile şi compoziţiile acestor materiale, s-au calculat cantităţile de C, Si, Mn, P, S, Fe, O2 şi alte elemente intrate în bilanţul de materiale, precum şi cantităţile existente în oţelul lichid. Toate consumurile s-au raportat la 1000 kg oţel lichid.
Rezultatele acestor calcule sunt centralizate în tabelul 2.5.
Tabelul 2.2. Compoziţia chimică a materialelor încărcate în cuptor, %
Material C Si Mn P S Fe O2 Alte elemente
Fier vechi 0,20 0,40 0,45 0,035 0,035 93,89 2 3
Var - - - - - - 28,6 71,4
Dolomită - 1,40 - - - 0,70 33,94 63,96
Cocs 85 - - - - - - 15
Grafit 66 - - - 1 - - 33
Fluorură de
calciu
- - - - - - - 100
Tabelul 2.3. Compoziţia chimică a oţelului lichid la evacuare,%
C Si Mn P S Fe Alte elemente
0,10 - 0,15 0,011 0,03 99,40 0,42
Tabelul2.4. Compoziţia chimică a zgurii la evacuare,%
CaO MgO SiO2 FeO Al2O3 MnO Alte elemente
24,93 9,09 15,05 31,60 1,31 8,84 9,19
In tabelul 2.5. este prezentat bilantul de material.
2.2. Bilantul energetic
Pentru calculul termenilor de bilanţ sunt utilizate date din tabelul 1
Tabelul 2.6. Datele de calcul iniţiale
Nr crt.
Denumire Notaţie
U.M Valoare
0 1 2 3 41 Consum specific de energie
electricăWee kWh/t 460
2. Debitul specific de gaz metan Dc m3N/t 7,53. Puterea calorifica inferioara a
gazului metanHi kcal/ (m3N.) 8050
4. Caldura specifica a combustibilului
Cc kcal/ (m3N.grd)
0,372
5. Consum specific de fier vechi Gfv kg/t 11206. Căldura specifică a fierului vechi
la temperatura mediului ambiant cfv kcal/(kg.grd) 0,11
7. Temperatura fierului vechi Tfv 0C 158. Consum specific de grafit
insuflatGg kg/t 8
9 Căldura specifică a grafitului cg kcal/(kg.grd) 0,1710 Consum specific de var Gv kg/t 30,0011. Căldura specifică a varului cv kcal/(kg.grd) 0,18412. Consum specific de dolomită Gd kg/t 5,413. Căldura specifică a dolomitei cd kcal/(kg.grd) 0,19314. Consum specific de cocs Gk kg/t 615. Căldura specifică a cocsului ck kcal/(kg.grd) 0,2016. Consum specific de fluorură de
calciuGf kg/t 0,1
17. Căldura specifică a fluorurei de calciu
cf kcal/(kg.grd) 0,20
18. Temperatura materialelor încărcate în cuptor tm
0C 15
19. Volumul de oxigen insuflat în cuptor
Vox M3N/t 43
20. Căldura specifică a oxigenului cox kcal/ (m3N.grd)
0,313
21. Temperatura oxigenului tox0C 15
22. Volumul de aer aspirat în cuptor Va m3N/t 2,3023. Căldura specifică a aerului aspirat ca kcal/
(m3N.grd)0,311
Structura bilantului energetic este prezentat in tabelul 2.7.
Tabelul 2.7.ANALIZA BILANTULUI ENERGETIC
CALDURI INTRATE
Energie intrata kcal/t kJ.t %
1 Caldura dez de arcul electric 395600.0 1655586.0 66.33
2 Caldura reactiilor exoterme 197849.5 828000.2 33.17
3Caldura sensibila a materialelor incarcate 137.1 573.9 0.02
4Caldura sensibila a oxigenului insuflat 201.9 844.9 0.03
5Caldura sensibila a areului aspirat 10.7 44.9 0.00
6Caldura sensibila a fierului vechi incarcat 1848.0 7733.9 0.31
7Caldura chimica a gazului metan 736.3 3081.3 0.12
8Caldura sensibila a gazului metan 0.2 0.7 0.00
TOTAL 596383.7 2495865.758 100.00
CALDURI IESITE
Energie iesita kcal/t kJ/t %
1 Caldura sensibila a otelului lichid 347965.0 1456233.5 58.35
2Caldura consumata pt evaporarea umiditatii 14491.7 60647.7 2.43
3 Caldura sensibila a zgurii lichide 50129.1 209790.3 8.41
4 Caldura sensibila a gazelor arse 20534.2 85935.6 3.44
5Caldura preluata de praful antrenat cu gazele 7934.4 33205.5 1.33
6 Caldura reactiilor endoterme 5.0 21.0 0.00
7Caldura pierduta prin mantaua cuptorului 47710.7 199669.3 8.00
8 Caldura pierduta cu apa de racire 76829.3 321530.5 12.88
9 Caldura pirerduta prin radiatie 2071.3 8668.4 0.35
Eroare de bilant 28713.0 120164.0 4.81
TOTAL 596383.694 2495865.758 100.0
Calculul volumului de gaze arse emise din cuptor
Din bilanţul carbonului rezultă cantitatea de carbon care se arde în cuptor:
kg/t
Pentru a stabili cantităţile de CO2 şi CO se utilizează proporţia volumetrică (ca medie ponderată) a acestora în gazele arse.
Din analiza chimică rezultă următoarea compoziţie medie a gazelor:
CO2 = 83,5 % ;CO = 8,0 % ; O2 = 2,9 %
Notând cu CarsCO2 şi CarsCO, cantităţile de carbon care se ard la CO2 şi respectiv, la CO (kg/t) şi cu Vga – volumul de gaze arse (m3N/t), se poate scrie următorul sistem de ecuaţii:
Prin împărţirea primelor două ecuaţii rezultă:
Rezolvând sistemul de ecuaţii de mai sus rezultă:
kg/t kg/t
Cantităţile de CO2 şi CO se calculează cu relaţiile:
Înlocuind valoarea CarsCO2 = 11,27 kg/t în prima ecuaţia , se calculează volumul de gaze arse:
m3N/t
Volumul de oxigen din gazele arse este:
m3N/t
sau kg/t
Cantitatea de S în gaze arse este 0,14 kg/t
Deci, volumul de SO2 este: m3N/t
sau %
Cunoscând proporţiile volumetrice de CO2, CO, O2 şi SO2 din gazele arse, rezultă, prin diferenţă din 100 %, volumul de N2:
%
Volumul de azot în gazele arse este:
m3N/t sau kg/t
Oxigenul legat în CO2 este: kg/t
Oxigenul legat în CO este: kg/t
Total oxigen legat: 30,06 + 1,44 = 31.50 kg/t
Volumul de aer aspirat în cuptor este: m3N/t
Oxigenul aspirat în cuptor este:
m3N/t sau kg/t
Cantitatea de aer aspirat: kg/t
În gazele arse mai intră (pe coloana diverse):
Volatile din grafit insuflat: kg/t
Volatile din cocs:
Volatile din electrozi grafit: kg/t
Total volatile: 2,85 kg/t
Cantitatea de gaze arse (inclusiv praf) este compusă din:
— C: 12,35 kg/t— S: 0,14 kg/t— O2: 1,44 + 30,06 (legat în CO2 şi CO) = 31.06 kg/t— N2: 2,14 + 2,85 = 4,99 kg/t— Fe (praf):1051,57-992,89-15,93=42,78kg/t
Total gaze arse:96,02 kg/t;
Calculul cantităţii de zgură lichidă
Tabelul este prezentată compoziţia chimică a zgurei lichide.
Elementele componente ale zgurei sunt:
;
;
;
Alte elemente: 9,36 %
O2 = restul (28,43 %)
Siliciul din încărcătură (4,77 kg/t ) trece integral în zgură. Deci:
kg/t
La această cantitate se adaugă cantităţile de diverse din fierul vechi. Din cele 33,6 kg/t (3 % din cantitatea de fier vechi), 2 % sunt elemente nemetalice care trec în zgură (22,4 kg/t), iar din 1 % elemente metalice, 0,64 % (7,17 kg/t) trec în zgură. Deci, cantitatea de zgură este 65,32 + 7,17 + 22,4 = 94,89 kg/t.
Calculul căldurii reacţiilor exoterme
ReacţiaCantitatea reactantă
(kg/t)
Căldura de reacţie
kcal/kmol
Cantitatea de căldură degajată
kcal/t
13,93(C) 97.650 113.355
1,33(C) 28.200 3.126
4,77(Si) 207.850 35.409
4,56(Mn) 96.270 8.019
0,18(P) 370.000 2.148
0,18(S) 70.720 398
16,69(Fe) 64.288 19.160
4,77(Si) 32.240 5.492
0,18(P) 159.500 926
Total 188.033
Calculul căldurii consumate cu reacţiile endoterme
ReacţiaCantitatea reactantă
kg/t
Căldura de reacţie
kcal/kmol
Cantitatea de căldură consumată
kcal/t
3,1(Ca) 42.504 3.294
1,7(Mg) 27.280 1.718
Total 5.012
Distributia energiei electrice necesara sa se realizeze o tona de otel turnat ( atomizat ) este dat conform tabelului de mai jos:
Concluzii:
Topire(kwh/to)Rafinare( kwh/to) Turnare(kwh/to) Total
kwh/to448 140 40 628
Reducerea timpului de elaborare ( reducerea timpului de topire) in faza 1, impune implementarea unui sistem de topire suplimentar folosind energie chimica( gaz si oxigen). Reducerea cantitati de energie electrice consumata la topire cu 30 % inseamna introducerea unui arzator oxigaz cu o putere maxima de 1.2 MwH/sarja.
Arzatorul folosit este realizat pentru functionarea cu propan si oxigen , dispunind de o mare flexibilitate in cea ce priveste puterea debitata precum si de raportul oxigen – gaz.
Oxigenul si propanul sunt vehiculate in corpul arzatorului prin conducte concentrice, oxigenul la interior, iar propanul la exterior, prin ajutaje De Laval, ceea ce asigura viteze supersonice. Pentru protejarea pieselor supuse solicitarior termice, stabilizatorul de flacara si camera de ardere sunt racite . Temperatura flacarii atinge valori de 2300-2500 C.
.