Воздухонагреватели

Содержание

Введение

В последнее время существенно  выросла производительность доменных печей, постоянно снижается расход кокса - наиболее дорогого компонента доменной шихты. Эти результаты явились следствием комплекса мероприятий, называемых обычно методами интенсификации доменной плавки.

Воздухонагреватели работают циклически. В газовый период при  закрытых клапанах холодного и горячего дутья и открытых дымовых и горелочным клапанах работает горелка и продуктами горения газа нагревается наседка, представляющая собой кладку с большим числом продольных каналов. Температура верхней части насадки достигает 1300 °С - 1400 °С, а нижней 300 °С – 400 °С. В дутьевой период при закрытых газовом и дымовом клапанах и открытых клапанах холодного и горячего дутья через насадку проходит и нагревается доменное дутье с давлением 3-10 Па. Для непрерывного снабжения доменной печи дутьем необходимо минимум два воздухонагревателя. Обычно для одной печи сооружают блок из 3-4 аппаратов, которые поочередно нагревают дутье.

Мощным толчком в технике  нагрева дутья явилась интенсификация доменной плавки путем подачи в горн природного газа, мазута и других заменителей  кокса, начавшаяся с 50-х годов. Для  сохранения в горне печи высоких  температур необходимо было существенно повысить температуру дутья.

Основными путями интенсификации работы доменных воздухонагревателей  являются: повышение температуры  греющих газов путем добавки  к доменному газу природного и  коксового газов, мазута и подогрева  газа и воздуха в рекуператорах; применение более стойких муллито-корундовых, динасовых и других огнеупорных материалов; использование насадок с большой поверхностью нагрева; модернизация оборудования и улучшение режимов работы; совершенствование приборов контроля и управления.

1 Нагрев дутья как метод интенсификации доменного процесса

Нагрев дутья является эффективным средством интенсификации плавки. Температура дутья для отечественных печей непрерывно повышается. Так, средняя температура дутья в 1964,1970 и 1986 годов соответственно составила 930 °С, 1009 °С и 1099 ⁰С. Первые исследования нагрева дутья относятся к концу XVIII века. В 1828 году Дж. Нельсон получил патент на нагрев дутья в воздухонагревателе, а в 1829 году применил горячее дутье на заводе «Клайд» в Шотландии. Тепло дутья заменило тепло, выделяющееся при горении топлива у фурм, что позволило сэкономить горючее. В результате нагрева воздуха до 149 °С расход горючего снизился с 8,06 до 5,16 т/т чугуна при росте суточной производительности печи с 15,7 до 23 тонн. При этом на нагрев воздуха затрачивалось топлива всего 0,4 т/т чугуна. Таким образом, уже первый опыт использования нагрева дутья показал позднее многократно подтвержденный вывод, что дутье сберегает больше тепла, чем само вносит.

В 1831 году температуру дутья подняли до 316 ⁰С, но экономия топлива в расчете на дополнительные 100 ⁰С нагрева оказалась меньше, чем прежде. Дальнейший опыт показал, что при большом разнообразии конкретных величин экономии горючего общая тенденция в изменении расхода топлива сохраняется: с ростом температуры дутья экономия топлива снижается (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость расхода кокса от температуры дутья

Увеличение производительности печей было связано с ростом рудной нагрузки из-за вывода части кокса из подачи. М. А. Павлов указывал, что если мощность воздуходувных машин достаточна, то доменная печь, получая ту же массу дутья, дает чугуна больше на столько, на сколько увеличилась сыпь в колошу, и в процентах производительность возрастает на столько же, на сколько уменьшился расход горючего.

Первые попытки объяснения влияния  нагрева дутья относятся к 70-м  годам XIX века и принадлежат Л. Беллу, Л. Грюнеру и Р. Окерману. В последующие годы большой вклад в изучение этой проблемы внесли М. А. Павлов, А. Д. Готлиб и другие отечественные ученые. Л. Белл и Л. Грюнер при составлении тепловых балансов отметили, что по мере сокращения расхода кокса уменьшается и количество дутья на единицу чугуна, поэтому количество тепла, получаемое доменной печью от нагрева дутья, с повышением температуры (при постоянной теплоемкости дутья) не пропорционально температуре. Расчеты Л. Белла приведены в таблице 1:

Таблица 1 – Расчеты Л. Белла

В результате снижения количества дутья на единицу чугуна обеспечение одной и той же экономии горючего (0,05 кг/кг) требует постоянного увеличения прироста температуры дутья. Так, если для снижения расхода углерода, сгорающего у фурм, от 0,90 до 0,85 кг/кг чугуна требуется повысить температуру дутья на 204 °С, то для снижения расхода углерода, сгорающего у фурм, с 0,80 до 0,75 кг/кг чугуна требуемый прирост температуры дутья составляет уже 263 °С. Как отмечал М. А. Павлов, расчеты Л. Белла не совсем точны (приняты постоянными степень использования химической энергии газа, потребность в тепле на единицу чугуна и т. д.), но тенденция, выявленная расчетом, правильна. При повышении температуры дутья необходимо учитывать снижение экономии горючего, если параллельно не предприняты компенсационные меры, например использование углеводородов и пр.

Нагрев дутья существенно  влияет на ход доменной плавки: производительность печи увеличивается, температура колошникового газа снижается, так как с увеличением нагрева дутья и сокращением расхода кокса в шихте для верхней зоны доменной печи растет. При неизменной же рудной нагрузке температура колошника не меняется, а тепло дутья расходуется на перегрев продуктов плавки, восстановление трудновосстановимых оксидов и др. Снижается величина тепловых потерь, так как при сокращении расхода горючего производительность доменной печи увеличивается.

Использование нагрева дутья  позволяет покрыть затраты тепла  на восстановление трудновосстановимых оксидов. В связи с этим особенно эффективно применение высоконагретого дутья для выплавки ферросплавов. Повышение нагрева дутья вызывает изменение размеров верхней, резервной и нижней ступеней теплообмена. Зона пониженных температур увеличивается, положение горизонта шлакообразования изменяется. Снижение количества газа обеспечивает более эффективное использование не только его тепловой, но и химической энергии. Однако уменьшение протяженности зоны непрямого восстановления противодействует этому, поэтому трудно оценить суммарное влияние температуры дутья на процессы восстановления.

Исходя из этих изменений, в ходе процесса становится понятным сбережение дутьем большего количества тепла в печи, чем оно само вносит. Кроме непосредственной «теплотехнической» экономии, кокс дополнительно сберегается в результате снижения температуры и потерь тепла колошниковым газом, уменьшения расхода тепла на расплавление шлака, удаление серы и др. Следует также иметь в виду, что топливо в воздухонагревателе сжигается по формуле полного сгорания углерода, а в доменной печи - лишь в соответствии с достигнутой степенью непрямого восстановления.

Экономию кокса при  нагреве дутья М.А. Павлов предложил  рассчитывать по формуле (1)

,     (1)

где Е – экономия кокса, %;

      V_д – объем дутья, м³/кг чугуна;

      С_д – теплоемкость дутья, кДж(м³К);

      Δt_д – изменение температуры дутья, К;

       k_t - тепловой к.п.д. печи;

      W - величина общего теплового баланса, кДж/кг чугуна;

    ±Q - алгебраическая сумма разностей статей расхода тепла при более и менее нагретом дутье, кДж/кг чугуна.

Анализ зависимости показал, что  эффективность нагрева дутья  тем выше, чем ниже k_t т. е. чем менее совершенна тепловая работа печи. Это положение, известное в литературе как принцип Окермана-Павлова, М. А. Павлов трактовал более широко: «всякая причина, вызывающая снижение расхода тепла на процесс, действует тем сильнее, чем менее эффективна тепловая работа печи».

Формула Павлова дает хорошую сходимость с практическими данными при очень высоком значении Δt, т. е. когда теплообмен в нижней зоне печи далек от завершения (Δt - разница температур между шихтой и газом в зоне замедленного теплообмена). При завершенном теплообмене в нижней зоне печи целесообразно вести расчет, исходя из разделения печи на верхнюю и нижнюю зоны теплообмена. Тепло нагретого дутья при наличии четко выраженной резервной зоны полностью используется на нижней ступени теплообмена и поэтому экономия горючего в основном определяется тепловым балансом этой ступени.

При повышении температуры дутья  увеличиваются требования к фракционному составу шихты, поскольку в этих условиях снижается газопроницаемость  слоя, так как при повышении  нагрева дутья возрастают объем и давление газов в горне, т. е. увеличивается давление газов снизу, затрудняющее плавный сход шихты. Это вызывает дальнейшее повышение давления и затруднения в сходе шихты.

Расход кокса вследствие повышения  нагрева дутья уменьшается, т. е. его объемная доля в шихте сокращается, а объемная доля рудных материалов увеличивается. Поскольку газопроницаемость кокса выше, чем рудной части шихты, то газопроницаемость слоя шихты при выводе кокса ухудшается.

Таким образом, достижение высоких  температур дутья связано с определенными  мероприятиями, главным образом  с улучшением качества шихтовых материалов и особенное их восстановимостью и сохранением прочности при восстановлении.

Проведенные расчеты показали, что в настоящих условиях дальнейшее повышение температуры дутья по-прежнему является эффективным средством интенсификации доменной плавки. Опыт комбината «Азовсталь» в период 1959-1971годы показал, что повышение средней температуры дутья в доменном цехе с 838 ⁰С до 1181 ⁰С, т. е. на 343 ⁰С, привело к снижению расхода кокса на 8,4% или 2,6% на каждые дополнительные 100 ⁰С нагрева дутья. Роль нагрева дутья особенно возросла с использованием углеводородов, приводящих к снижению температуры горна печи.

В той связи разработка конструкций  высокотемпературных воздухонагревателей и поиски соответствующих огнеупоров являются очень важной задачей.

2 Виды воздухонагревателей

2.1 Конвективные воздухонагреватели

В стальных рекуперативных воздухонагревателях, основанных на принципе конвективного теплообмена, дымовые  газы омывают пучки стальных труб, внутри которых проходит нагреваемый  воздух.

Различают два основных типа конвективных воздухонагревателей, отличающихся направлением газового потока по отношению  к обогреваемым трубам (поперечный поток и продольный поток).

На рисунке 2 показан стальной трубчатый воздухонагреватель с поперечным омыванием труб дымовыми газами.

Воздухонагреватель разделен на две секции. Первая секция состоит из двух пучков коротких вертикальных труб, расположенных в вертикальном газоходе, примыкающем к камере сгорания. В нижней части камеры сгорания установлена газовая горелка, к которой подведены газ и первичный воздух. Вторичный воздух поступает через заднюю стену камеры сгорания и служит для снижения температуры выходящих из камеры дымовых газов до 1100 °С - 1150° С.

Часть холодного воздуха  из распределительного воздухопровода направляется в первый по ходу дымовых  газов пучок труб и переходит  по соединительному патрубку во второй пучок труб. Таким образом, в первой секции осуществлен параллельный ток  греющих газов и нагреваемого воздуха. Наиболее горячие продукты сгорания соприкасаются с трубами, по которым проходит холодный воздух, что способствует снижению температуры стенок труб. Пройдя последовательно два пучка труб первой секции, воздух нагревается до 750 °С - 780°С и направляется в сборный воздухопровод. Дымовые газы, пройдя первую секцию воздухонагревателя, охлаждаются до 950 °С - 970° С.

1 - первая секция труб; 2 - вторая секция труб; 3 - камера сгорания; 4 - газовая горелка; 5-подвод доменного газа; 6 - подвод первичного воздуха; 7 - подвод вторичного воздуха; 8 - подвод холодного дутья; 9 - отвод нагретого дутья; 10 - перегородки; 11 - дымосос

Рисунок 2 - Конвективный стальной трубчатый воздухонагреватель с поперечным омыванием труб дымовыми газами

Вторая секция воздухонагревателя состоит из двух пучков труб, расположенных вертикально и разделенных перегородками так, что дымовые газы омывают их поперечным потоком. Во вторую секцию воздухонагревателя поступает также холодный воздух, подводимый из распределительного воздухопровода. Воздух проходит по обоим пучкам труб параллельно, направляясь сверху вниз. Продукты сгорания движутся снизу вверх. Таким образом, во второй секции осуществлен противоток дымовых газов и воздуха. Воздух во второй секции также нагревается до 750 °С - 780° С, а продукты сгорания охлаждаются до 190 °С - 200° С и отводятся в сборный газопровод и дальше к дымососу.

Одинаковый нагрев дутьевого воздуха в обеих секциях воздухонагревателя обеспечивается изменением количества воздуха, направляемого в первую и вторую секции. Разница температур горячего дутья в обеих группах воздухонагревателя обычно не превышает 20 °С.

2.2 Радиационные и радиационно-конвективные воздухонагреватели

В области высоких температур дымовых газов более целесообразна  передача тепла не конвекцией, а  посредством лучистого теплообмена.

Поэтому при подогреве  воздуха в стальных трубчатых  рекуператорах использование радиационного теплообмена является более эффективным. Значительное уменьшение требующейся поверхности нагрева при передаче тепла лучистым теплообменом по сравнению с конвективной теплопередачей позволяет значительно сократить расход дорогостоящей жаропрочной стали.

В связи с увеличением  передачи тепла лучеиспусканием  к нагреваемым стенкам со стороны продуктов сгорания возникает необходимость повышения эффективности передачи тепла от стенок к нагреваемому воздуху. При недостаточно активном отводе тепла может иметь место чрезмерное повышение температуры стенки и ее пережог. Увеличение скорости воздуха может обеспечить настолько интенсивный отвод тепла от нагреваемой стенки, что ее температура, несмотря на значительное восприятие тепла лучеиспусканием, не намного превышает температуру нагретого воздуха.

На принципе радиационного  теплообмена основаны некоторые  конструкции воздухонагревателей рекуперативного типа, получившие распространение в Швеции. Одна из таких конструкций представлена на рисунке 3.

Радиационный воздухонагреватель состоит из вертикальных стальных труб, приваренных к кольцевым коллекторам.

Воздух поступает в  верхний коллектор, проходит по прямым трубам и отводится из нижнего коллектора. Продукты сгорания движутся параллельно нагреваемому воздуху. В верхней части воздухонагревателя расположена горелка доменного газа. Воздухонагреватели этого типа изготовляют диаметром 3,8 и 5,0 м и высотой 7,5 и 12,0 м.

Благодаря интенсивному охлаждению труб воздухом, движущимся с большой  скоростью, максимальная температура  металла превышает температуру  воздуха всего на 130 °С, и составляет 930 °С при подогреве воздуха до 800 °С.

Более целесообразно разделение воздухонагревателя на две зоны: высоко- и низкотемпературную с применением для первой зоны радиационного, а для второй - конвективного теплообмена. Известны случаи практического применения таких воздухонагревателей. Нагреваемый воздух поступает сначала в конвективный - трубчатый рекуператор, после чего направляется в радиационный рекуператор, где подогревается до 800 °С.

Конвективный рекуператор  обогревается продуктами сгорания, поступающими из радиационного рекуператора. По выходе из конвективного воздухонагревателя дымовые газы поступают в воздухоподогреватель, где подогревается воздух, используемый в камере сгорания радиационного воздухонагревателя. Дымовые газы по выходе из воздухоподогревателя используются в котлах-утилизаторах.

Установка за конвективным воздухонагревателем дополнительных теплоиспользующих устройств в  виде воздухоподогревателя и котла-утилизатора  позволила значительно повысить температурный напор в зоне конвективного  нагрева доменного дутья и  тем самым уменьшить требуемую  поверхность нагрева конвективной секции воздухонагревателя.

1 - трубы; 2 - верхний коллектор; 3-подвод холодного дутья; 4 - нижний коллектор; 5 - отвод нагретого дутья; б-газовая горелка; 7 - подвод доменного газа; 8-подвод воздуха горения; 9 - камера сгорания; 10 - подвод охлаждающего воздуха; 11 - термопара

Рисунок 3 - Радиационный стальной трубчатый воздухонагреватель

2.3 Регенеративные воздухонагреватели

Воздухонагреватели имеют  снаружи герметичный металлический  кожух, что позволяет поддерживать в них высокое давление нагреваемого дутья. Цилиндрическая средняя часть  кожуха сверху закрыта полусферическим  куполом, снизу - плоским днищем, закрепленным в фундаменте плоскими анкерами.

Рисунок 4 - Воздухонагреватель с выносной камерой и керамической горелкой (а) и общий купол горения типа Дидье (б), Копперса (в), Мартин-Пагенштехера (г)

У воздухонагревателей с наружной камерой горения кожухи камеры горения и камеры насадки после разогрева имеют разную температуру и разное удлинение. Для устранения разницы в расширении устанавливаются компенсаторы. На воздухонагревателях типа Дидье (рисунок 4, б) применяют чаще всего сильфонный компенсатор, располагаемый на кожухе камеры горения, под куполом. Иногда применяют гидравлический компенсатор, устанавливаемый под камерой горения.

Воздухонагреватели фирмы "Крупп- Копперс" (рисунок 4,в) имеют компенсатор на цилиндрической трубе, соединяющей два независимых грибовидных купола над камерой горения и камерой насадки. Камера горения для уменьшения их взаимного перемещения делается укороченной и подбирается такой, чтобы термическое расширение обеих камер было одинаковым.

У воздухонагревателей конструкции  фирмы "Мартин и Пагенштехер" (рисунок 4, г) компенсатор отсутствует. Камера горения также выполнена укороченной, а под ней применена предварительно напряженная гибкая опора.

2.4 Бесшахтные воздухонагреватели

Для устранения недостатков  воздухонагревателей с внутренней и выносной камерами горения предлагаются различные варианты улучшения их конструкции.

Предлагаются воздухонагреватели с центральной камерой горения. Положительной стороной этой конструкции  является более равномерное распределение  продуктов горения по насадке  и возможное устранение наклона камеры горения из-за более равномерного нагрева ее по периметру. Однако значительно увеличивается ее высота, что повышает опасность появления деформации ползучести и пульсаций. Увеличиваются перепады температур в нижней части камеры горения на уровне поднасадочного пространства, и сохраняется большая вероятность появления короткого замыкания". Увеличивается высота воздухонагревателя и усложняется компоновка оборудования. Такие воздухонагреватели экспортировались ранее, однако не нашли распространения.

В связи с недостатками воздухонагревателей с большими и высокими камерами горения появляются попытки обойтись без специальной  камеры горения и использовать для  сжигания газа объем подкупольного пространства или сжигать газ в небольшой топке, установленной на куполе.

Бесшахтные воздухонагреватели позволяют увеличить объем насадки воздухонагревателя на 25-30 % в тех же габаритах его кожуха, и, соответственно увеличить температуру дутья, повысить стойкость и долговечность конструкции в связи с устранением неравномерных термических напряжений в кладке, уменьшить потери тепла в окружающую среду q связи с уменьшением общей поверхности при одинаковой тепловой мощности, достигнуть значительной экономии капитальных затрат в связи с устранением камеры горения и сокращением расхода огнеупорных материалов и металла, сократить производственные площади.

Однако для получения  всех этих преимуществ бесшахтные воздухонагреватели должны иметь систему отопления, обеспечивающую полное сжигание больших количеств газов в небольшом объеме подкупольного пространства, равномерное их распределение при входе в насадку и (желательно) равномерный нагрев всех элементов кладки подкупольного пространства. Предложено много конструкций бесшахтных воздухонагревателей. Из них можно выделить воздухонагреватели: с одной горелкой и форкамерой над куполом, с горелками и форкамерами на боковой стене купола, с горелками и форкамерами у основания купола.

Если воздухонагреватель имеет одну горелку, то она должна быть большого диаметра. Кроме того, необходимо увеличить расстояние до насадки, чтобы обеспечить полное сжигание газа до входа в насадку и равномерное распределение продуктов сгорания по ней. Трудно также обеспечить хорошее сочленение горелки с кладкой купола и высокую стойкость горелки.

а - общий вид; б - продольный разрез по форкамере при горелках со встречными струями газа и воздуха; в - то же, при горелках с параллельными струями; 1, 2 - воздушный и газовый коллекторы; 3 - выходные отверстия; 4 - горелка; 5 - форкамера; 6 - купол; 7 - штуцер горячего дутья; 8 - насадка; 9, 10 - каналы газовый и воздушный; 11 - перекрытие каналов; 12 - выходное отверстие из каналов; 13 - смесители

Рисунок 5 - Воздухонагреватель с форкамерой над куполом

В воздухонагревателях с  форкамерой над куполом может быть обеспечено полное сжигание газа до входа в насадку, особенно при размещении в форкамере большого числа горелок малого калибра (рисунок 5).

Однако при этом конструкция  форкамеры сильно усложняется, и она по размерам приближается к куполу воздухонагревателя.

Много вариантов воздухонагревателей  предложено с горелками на боковых  стенах купола. При увеличении числа  горелок уменьшают их диаметр, что  улучшает условия выгорания и равномерного входа продуктов горения в насадку. Однако при этом усложняется разводка газа и воздуха по горелкам и их отсечка в период дутья. При очень большом количестве горелок сами горелки могут быть выполнены в виде сопел, из которых выходит готовая газовоздушная смесь. Однако, несмотря на многие положительные качества, вариант с такими горелками трудно осуществим, так как возникает серьезная опасность взрыва газовоздушной смеси в коллекторе.

Предложены также конструкции  с большим числом горелок, расположенных в основании купола, с форкамерой и без форкамеры. При выходе сопла горелки непосредственно под купол возможно разрушение кладки горелки и основания купола вследствие колебаний температур при переходе с газового на дутьевой режим и обратно.

Для детальной разработки и опробования в промышленных условиях была принята конструкция  воздухонагревателя с кольцевой  форкамерой, расположенной между стеной купола и стеной насадочной камеры, и большим числом (несколько десятков) горелок малого калибра у основания форкамеры .

Отличительной особенностью предложенной схемы является размещение в кольцевой опорной балке  купола коллекторов подвода газа и воздуха, которые внутри балки  разделяются дополнительной перегородкой. Основные недостатки существующих воздухонагревателей с камерами горения устраняются, если устраняется сама камера горения. Остается только влияние термической стойкости, которое будет действовать при всех конструкциях воздухонагревателей и будет зависеть от перепадов температур в кладке между газовым и дутьевым периодами.