МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

Высокие температуры, необходимые для многих пирометаллургических переделов, достигаются сжиганием топлива и, пока реже, электронагреванием.
Топливом служат горючие вещества, которые выгодно сжигать для получения тепла. Они бывают твердыми (уголь, торф, дрова, кокс), жидкими (нефть, мазут, керосин, бензин), либо газообразными (природный и другие горючие газы). В состав любого топлива входят горючие составляющие — углерод, водород, углеводороды: метан СН4 и иные, описываемые в общем виде формулой CnHmа также негорючие — минеральные вещества и влага.
 
Углерод при достаточном доступе кислорода воздуха сгорает по реакции
 
С + О2 = СО2; ΔН0298 = — 408,2 кДж.
 
Из этого легко вычислить количество тепла, получаемого от сгорания одного килограмма
1000/12х408,2 = 34016кДж.
При недостатке кислорода сгорание неполное:
 
2С + О2=2СО; ΔН0298 10221 кДж.
 
Углерод может также обратимо окисляться углекислотой по реакцииравновесие которой смещается с температурой.
Водород при избытке и недостатке кислорода сгорает одинаково:
 
2 + О2 = 2Н2Опар; ΔН0298 = — 438,2 кДж.
 
Углеводороды в зависимости от доступа воздуха, а также присутствия СО2 и паров воды, окисляются по-разному. Энтальпии реакций даны ниже, при нормальных условиях (Т= = 298,16 к; р=98060 н2 (1 ат), кДж/моль сн4:
 
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О; ΔН0298 = — 805,
2СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2; ΔН0298 = —71,8
СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2; ΔН0298 = 248,
СН4 + Н2О = СО + 3Н2; ΔН0298 = 80,9,
СН4 + 2Н2О = СО2 + 2Н2; ΔН0298 = 450,
 
Кроме того, метан диссоциирует с выделением сажистого углерода:
 
СН4 = С + 2Н2; ΔН0298 = 75. 
 
Горение сопутствующих высших гомологов общего вида СnH2n+2 аналогично.
Реакции (55—58) описывают конверсию — превращение метана в другие горючие газы. Из знака ΔН0298 и правила Ле-Шателье очевидна их вероятность только при нагревании. Все сказанное выше о химизме горения дает лишь упрощенную схему, в действительности содержащую многие промежуточные стадии образования и окисления более сложных углеводородов нафталина, антрацена, бензола, асфальтенов, свободных радикалов и других соединений.
 
При сгорании топлива минеральные примеси остаются в золе, которая, нагреваясь, поглощает часть тепла. Однако значительно большие потери тепла связаны с испарением влаги. Зола и влага — нежелательные примеси. Кроме того, зола, обволакивая горючие частицы, особенно если она легкоплавка, препятствует полному их сгоранию.
 
Количество тепла, получаемое при сгорании одного килограмма твердого или жидкого топлива, либо одного кубического метра газа, называют теплотворностью топлива (теплотворной способностью, калорийностью, теплопроизводительностью). В табл. 6 приведены округленные данные, характеризующие отдельные виды топлива.
 

Таблица. Характеристика топлива

Топливо Зола, % Теплотворная способность, кДж/кг
Дрова
Торф
Каменный уголь
Нефть
Природный газ
0,7—2,0 
До 10 
» 10 
0,2—0,3 
Нет
18 800
23400 
21 000—29 000 
41 900—46 000 
35600—37 770 (кДж/м3)
 
Различают высшую и низшую теплотворность, первая учитывает тепло, выделяемое от конденсации паров воды при охлаждении дымовых газов, а вторая это опускает.
Часто пользуются понятием условного топлива с теплотворностью 29260 кДж, удобным для сравнения расходов или цен. Например, расход 1 кг нефти с теплотворностью 41800 кДж/кг эквивалентен 41800/29260=1,42 кг условного топлива.
Температура, которую можно получить при сгорании топлива, зависит от условий горения. Если все тепло от сжигания топлива в замкнутом пространстве идет только на нагревание дымовых газов и не теряется через стенки во внешнюю среду, достигается максимальная теоретическая температура горения. В действительности, такие условия создать трудно, часть тепла теряется и фактическая температура горения tг ниже теоретической tTОтношение этих величин — пирометрический коэффициент— всегда меньше единицы:
 
η = tг/tT
 
Значительная доля тепла уносится дымовыми газами, выход которых зависит от избытка воздуха, подаваемого при сжигании. Для быстрого и полного горения надо кислорода больше чем требуется по стехиометрии реакций, а с ним вносится азот Последнего, как известно, в воздухе около 79%, он оказывается не только бесполезным балластом, но и уносит тепло. С увеличением коэффициента избытка воздуха а температура обогреваемого пространства сначала повышается, а затем падает. Правильный выбор оптимальной величины а для каждого вида топлива и условий его сжигания весьма важен.
 
Потери тепла через стенки печного пространства пропорциональны времени, поэтому с увеличением скорости горения они уменьшаются, а η растет. Обычные пределы изменения пирометрического коэффициента от 0,62 до 0,82.
Скорость горения твердого и жидкого топлива увеличивается с ростом поверхности контакта его частиц с кислородом и парциальным давлением О2 близ этой поверхности. Для быстрого сгорания газообразного топлива необходимо хорошее интенсивное перемешивание его с воздухом, достигаемое турбулентным — вихревым движением смеси.
 
Пирометрический коэффициент и полезное использование тепла можно повысить, сжигая топливо в чистом кислороде или смеси его с воздухом. Добавление к воздуху кислорода, помимо ускорения этим диффузии его, снижает содержание азота и долю уносимого им тепла.
Кислород, необходимый для сжигания топлива, обычно поступает с воздухом, в котором его содержится 20,93% (объемн.) [23,15% (по массе)]. При необходимости интенсивного горения воздух обогащают, примешивая к нему технический кислород (95—99,5% О2). Последний получают разделением воздуха на составляющие газы при низких температурах и высоких давлениях. Низкотемпературный способ разработан и широко используется в нашей стране. При большом расходе кислорода установку для его получения строят близ потребителя. В других случаях пользуются трубопроводами либо перевозят жидкий кислород в железнодорожных цистернах емкостью 10—32 т, автотанках, вмещающих до 6 мсжиженного газа или в баллонах. В газообразное состояние жидкий кислород переводят на особых испарительных станциях, сооружаемых в местах потребления, и хранят в газгольдерах. При малом расходе и доставке в баллонах последние объединяют по несколько сот штук общей магистралью — рампой.
 
Топливо часто сжигают в том же печном пространстве, где перерабатывают руду. Для лучшего использования печей объем топлива и его расход должны быть малыми. Металлургии необходимо высококалорийное и малозольное топливо. Помимо снижения теплотворности и полноты сгорания, зола может загрязнять продукты переработки. Лучшие виды металлургического топлива: газ, мазут, кокс и высококалорийный каменный уголь.
 
Статья на тему Металлургическое топливо