CC BY
7
УДК 62-932.2
Нурматов Ж.Т.
Каршинский инженерно-экономический институт
Узбекистан, Карши
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПЕЧИ ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ БАЗАЛЬТА
Аннотация. В статье изложены основы расчёта теплового баланса и теоритические анализы процесса плавления базальта.
Ключевые слова. Плавление, тепловой баланс, базальтовая крошка, экспериментальная печь, тепло.
Nurmatov J.T.
Karshi engeneering economics institute
Uzbekistan, Karshi
THEORETICAL SUBSTANTIATION OF RATIONAL ENERGY PARAMETERS OF THE FURNACE OPERATION FOR BASALT
MELTING
Annotаtion.The article presents the basics of calculating the heat balance and theoretical analyses of the process of melting basalt.
Keywords. Melting, heat balance, basalt chips, experimental furnace,
heat.
Тепловой баланс может составляться для зоны технологического процесса, для рабочего пространства печи, для отдельных элементов печи, теплового оборудования и для всего печного агрегата в целом. По мнению ученых, результаты анализа теплового баланса в различных рассматриваемых случаях имеют разный подход [1, 2 - 5].
Выполненное нами экспериментальное исследование по плавлению базальтового камня подтвердило вышеуказанное. Проведению данной работы способствовало отсутствие в технической литературе сведений о состоянии внутри печи в процессе плавления базальта и диабаза с помощью природного газа по предложенной схеме, с учетом специфики базальтового минерала Кызылкумских месторождений (см. рис.1 и 3). В данной главе приводятся результаты теоретического анализа теплового баланса, которые являются основой проведения экспериментальной части исследования.
Теоретический анализ проводился с учетом параметров печи, изготовленной из огнеупорного кирпича 2ХП-3 объемом 1 m3. Выбор 1 m3
объема печи аргументировался тем, что по сведениям специалистов [4, 5] для плавления базальтовой магмы и получения волокон с использованием природного газа объем печи размером 1 m3 является оптимальным для изучения технологического процесса плавления базальтового камня и наблюдения за происходящим.
В основу проводимого анализа теплового баланса была положена методика расчета Ю.П. Филимонова [2]. Наша экспериментальная печь, в отличие от случая, рассмотренного в [2], греется за счет газа, который подается в печь через горелки с четырех сторон печи, при давлении тёплого воздуха 150 - 200 kPa, что является в нашем случае достаточным для получения необходимой температуры 1300 -1750 0С.
Для теоретического анализа процесса получения базальтовых волокон в печи непрерывного действия плавлением базальтовой крошки примем следующие допущения и статьи теплового баланса (в единицу времени):
- пылевынос из печи равен нулю;
- коэффициент избытка воздуха на сжигание природного газа - а;
- подсосов воздуха в печь не происходит и а определяется только подачей воздуха вентилятором через горелки;
- сгорание природного газа происходит мгновенно и в выходном сечении горелок устанавливается теоретическая температура горения;
- потерь тепла вследствие химического недожога газа нет;
- расход тепла, связанный с реакциями диссоциации продуктов сгорания топлива, равен нулю;
- хотя при нагреве и плавлении базальта происходят экзотермические и экзотермические реакции (диссоциация соединений и окислительные процессы), масса получающихся волокон равна массе загружаемой базальтовой сухой крошки.
1. Приход тепла:
а) физическое тепло природного газа:
О пг = с пг 1 пг В, (1)
где с пг - теплоемкость, 1 пг - температура, В - расход природного газа, подаваемого в печь на нагрев и плавление базальта;
б) тепло сгорания природного газа:
О г = О нс В, (2)
где О нс - теплота сгорания (низшая) сухого газа;
в) физическое тепло воздуха:
О в = с в 1 в V0 а В, (3)
где с в - теплоёмкость и 1 в - температура воздуха, V0 - теорети-ческое количество воздуха на сжигание 1 т3 (или 1 к^) природ-ного газа, а -коэффициент избытка воздуха;
г) физическое тепло сухого базальтового камня:
О Б сух = Сб сух I Б сух ^ Б сух, (4)
гдеС Б сух - теплоёмкость, 1 Б сух - температура иО Б сух - расход подаваемого в печь базальтового камня в расчёте на сухой вес;
д) тепло, вносимое влагой базальтового камня:
О вл = О б сух 1 Б сух, (5) где w - влажность базальтового камня;
е) тепло экзотермических реакций при нагреве базальта:
Х О экз. р 1 О Б сух Х ° экз. р 1; (6)
гдедэкз. р ! - удельная теплота 1 - ой экзотермической реакции, отнесённаяк единице массы базальтовой крошки. Сумма приходных частей теплового баланса:
ХО прих = О пг + О г + О в + О Б сух + О вл + Х О экз. р 1, (7) или ХО прих = с пг 1 пг В + О нс В + с в 1 в V0 а В +С Б сух 1 Б сух О Б сух + +О Б сух W 1 Б сух + О Б сух Х 0 экз. р 1, (8) или ХО прих = В (с пг 1 пг + О нс + с в 1 в V0 а ) + + О б сух (С Б сух 1 Б сух + w 1 Б сух + Х 0 экз. р 1) (9)
2. Расход тепла:
а) тепло водяных паров образовавшихся при испарении и нагреве влаги, внесённой в печь с базальтом:
О исп = О Б сух W 1пв 1 г, (10)
где I пв 1 г - энтальпия (теплосодержание) паров воды при температуре технологических газов на выходе из печи;
б) тепло эндотермических реакций при нагреве базальта:
Х О энд. р 1 О Б сух Х 0 энд. р 1; (11)
гдео энд. р 1 - удельная теплота 1 - ой эндотермической реакции, отнесённая к единице массы базальтовой крошки;
в) тепло плавления базальтовой крошки:
О пл = О б сух 0 пл, (12)
где 0 пл - удельная теплота плавления базальта;
г) тепло базальтовых волокон на выходе из печи:
О б вол О Б сух С Б сух 1 вь^ (13)
где С б сух -теплоёмкость базальта при температуре плавления 1вых;
д) тепло отходящих технологических газов при температуре 1 г:
Ог = К2 Ссо2 + Уи2оСи2о + 2С^2 + У02С02 )Х 1Г (14)
где V и С 1, соответственно, объём и объёмная теплоёмкость 1 - й составляющей продуктов сгорания газа в печи.
По данным [4] при а = 1,25 полный удельный объём продуктов сгорания природного газа, близкого по составу газу Газлинского месторождения равен V = 13,51 ш3/ш3. Теплоёмкость продуктов сгорания при 1500 -1700 0С близка теплоёмкости воздуха и в среднем составляет С 1 гвозд = 1,47 кЩ / (ш3 0С). Для анализа примем:
О г = В^С 1 гвозд 1 г = 20 1г В; (15)
е) потери тепла во внешнюю среду зависят от конструкции и надёжности теплоизоляции печи и меняются от 8 до 22% от общего количества расходуемого тепла; обозначим эту часть потерь й:
Q пот = d X Qрасх (16) Сумма расходных частей теплового баланса:
Х Q расх Q исп+ Х Q энд. р i + Q пл + Q б вол + Q г + Q пот, (17) или X Q расх = G Б сух W Iпв t г + G Б сух X q энд. р i + G Б сух q пл + + G Б сух С Б сух 1 вых + В Vг C возд 1 г + d Х Q расх, (18) или XQ расх= (1- d)-1[ВVг С t возд I г + G Б сух (w 1пв t г+q пл + С Б сух I вых +
+Х q энд. р i)], (19)
2. Уравнение теплового баланса процесса получения базальтовых волокон:
X Q прих = X Q расх (20) или В(с пг 1 пг +Q нс + с в 1 в V0а)+G б сух(С б сух 1 Б сух + W 1 Б сух+X q экз. р 0= =(1-й)-1[В Vг С 1 возд I г + G Б сух ^ 1пв 1 ^ пл + С Б сух г вы^ q энд. р 0], (21)
откуда
В = G б сух [(1- d)-1 - ^2 ] / [^3 - (1- d)-1 V С 1 гвозд 1 г](22) или b=В/G б сух = [(1- d)-1 - ^2 ] / [^3 -(1- d)-1 Vг С 1 гвозд 1 г], (23) где Ь - удельный расход природного газа на плавление базальта и
= w 1пв 1 г+ + С Б сух 1 вь^ пл + X q энд. р i, (24) ^2 = С Б сух 1 Б сух + w 1 Б сух+X q экз. р i, (25) ^3 = с пг 1 пг +Q нс + с в 1 в V0а. (26)
Анализ работы печи упростим, приняв адиабатическую модель печи, когда потери через теплоизоляцию равны нулю или d = 0, а также положив, в первом приближении, удельные тепловые эффекты эндотермических и экзотермических реакций при нагреве базальта равными между собой. Тогда (1- й)-1 = 1 и
Ь=[ - ^2 ] / [^3 - V С 1 гвозд 1 г] (27) или
^ _ У пвг Бсух 7 БсухУ вЫХ Бсух 7 ^пл
~ С г + вс + с г V0 а - УСгг г (28)
пг пг -г^н в в г возд г
Пренебрегаяиз-за незначительности величинами 1:Б сух и спг 1пг, получим:
wI + С г + а
^ _ пвгг Бсух вых ^пл
Ос + сгУ °а - УСгг г (29)
-г:>н в в г возд г
Для сухого базальта w = 0 и тогда:
С г + а
7 Бух вЫХ 1пл
_ сух
в - (УССо^г - с.г.У°а)(30)
-О
вв
В выражении (4) числитель - энтальпия жидкого базальта 1Бж (отнесённая к единице массы базальта), в знаменателе в скобках - разность
энтальпий отходящих технологических газов и воздуха, подаваемого в горелки (отнесены к единице объёма), следовательно,
b = I Б ж / [Q нс - (I г - I в)],(31) или: удельный расход природного газа на плавление базальта в адиабатической печи непрерывного действия примерно равен отношению энтальпии получаемого жидкого базальта к разности Q^ этого газа и величины (1г - 1в), определяющей превышение энтальпии выбросных технологических газов над энтальпией воздуха, подаваемого на сжигание природного газа.
Из (4) следует, что снижение расхода природного газа на плавление базальта может быть достигнуто использованием газа с высокой калорийностью Q^, применением базальтов с максимальным содержанием легкоплавких составляющих, то есть с низким qm, и увеличением энтальпии воздуха 1в его нагревом, например в рекуператоре тепла отходящих газов.
Для условий: С б сух = 1,09 kDj / (kg 0C ) (табл. 2),t вых = 1675 0C, q пл = 142 kDj / kg, Q нс = 37100kDj / nm3, I г = Уг C t гвозд t г == 20 t г(см. п.2 д) и t г = 1600 0Спри t в = 20 0C из (4) получим, что минимально необходимый удельный расход природного газа для плавления базальтав адиабатическойпечинепрерывного действия при отсутствии утилизации тепла выбросных газов равен
b = 0,386 nm3 / kg.
Минимально возможный (для печи и рекуператора без тепловых потерь) удельный расход природного газа при другом крайнем условии, когда t г = t в = 1600 0C для вышеприведенных данных будет равен: bmin= (Сб сухtвых + q^i )/[Qнс - t гCt гвозд (Уг- У°а)] = 0,058 nm3/kg.
Использованные источники:
1.Нурматов Жахонгир Тогаймурадович, Курбанов Абдирахим Ахмедович, Кобилов Сарвар Сирож Угли, Жумаев Жасурбек Рустам Угли ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА И ИЗМЕНЕНИЕ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БАЗАЛЬТОВ // Universum: технические науки. 2021. №12-5 (93). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/teplovaya-obrabotka-i-izmenenie-sootvetstvuyuschih-pokazateley-bazaltov (дата обращения: 04.11.2022).
2. Рашидова Р.К., Ахмедович К.А., Алиев Т., Джиянов А.Б., Турдиева О.Дж. и Нурматов Д.Т. (2020). Термическая обработка и изменение собственных показателей базальтов. Землеведение, 2 (2), с1-с1.
3. Нурматов Дж. Т., Курбанов А. А. и Рашидова Р. К. (2019). Сравнительный анализ физико-химических свойств базальтов Узбекистана и пути решения проблем выбора направлений переработки сырья. Землеведение, 1 (1), стр. 59-59.
4. Курбанов, А. А., Нурматов, Ж. Т., Рашидова, Р. К., Умрзакова, Ш. У., & Абдуллаева, А. О. (2019). ФОРМИРОВАНИЯ ЖИДКОГО БАЗАЛЬТА И
ЕГО СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ. Международный академический вестник, (5), 123-125.
5. Курбанов, А. А., Нурматов, Ж. Т., Халилова, Ш. И., Рашидова, Р. К., & Абдуллаева, А. О. (2019). ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОД ОТ ПРИМЕСЕЙ. Международный академический вестник, (5), 125-127.
