Національна металургійна академія України

ЄРЬОМІН ОЛЕКСАНДР ОЛЕГОВИЧ

УДК 658.567.1:662.613.125 (043)

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ РЕЖИМИ НАГРІВАННЯ МЕТАЛУ

В КАМЕРНИХ ПЕЧАХ

Спеціальність 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

Губинський Володимир Йосипович,

Національна металургійна академія України,

завідувач кафедри теплотехніки та екології

металургійних печей.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Єринов Анатолій Єремійович,

Інститут газу НАН України; м. Київ,

завідувач відділу проблем промислової

теплотехніки ;

кандидат технічних наук, доцент,

Чепрасов Олександр Іванович,

Запоріжська державна інженерна академія,

доцент кафедри автоматизації виробничих

процесів, декан енерго-механічного факультету,

м. Запоріжжя.

Провідна установа: Національний технічний університет (ХПІ),

кафедра теплотехніки, м. Харків

Захист відбудеться 6 березня 2001 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий 26 січня 2001 р..

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Цапко В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Нагрівальні печі металургії і машинобудування є одними з найбільш помітних споживачів паливно-енергетичних ресурсів нашої країни. Теплотехнічні і технологічні процеси, що відбуваються у них, визначають витрату енергії на виробництво чорних металів, їхню якість і екологію навколишнього середовища. Якість нагрівання металу впливає на наступні процеси його обробки. Тому вирішення проблеми економії палива, що прямо зв'язана з питаннями екологічної безпеки металургійного виробництва, поліпшення рівномірності нагрівання садки в печах камерного типу і аспекти ресурсозбереження є актуальним

завданням сьогоднішнього дня.

Актуальність теми. Печі камерного типу, які широко застосовуються в металургії і машинобудуванні України, є дуже енергоємними агрегатами, що обумовлено їх універсальністю з погляду режимів теплової обробки і сортаменту металу. Викиди паливних камерних печей, що містять оксиди азоту і сірки, бензопирен і інші шкідливі речовини, забруднюють навколишнє середовище.

Зниження енергоємності продукції, поліпшення екологічної обстановки в регіонах, де є присутнім металургійне виробництво, зв'язано з удосконалюванням конструкцій нагрівальних печей і режимів нагрівання металу. Аналіз тенденцій розвитку конструкцій печей і режимів нагрівання показує, що останнім часом дістає широкого розвитку глибока регенерація тепла газів з пічного простору, шляхом застосування регенеративних пальників з кульковою насадкою. Проблема застосування таких пальників у печах прокатного і ковальського виробництва ще недостатньо вивчена. Становить інтерес вплив високої температури повітря, що підігрівається в регенераторах, на рівномірність нагрівання масивних зливків і заготовок. Реверсування пічних газів, властиве регенеративним печам, створює передумови встановлення рівномірного температурного полю в печі, а високий ступінь регенерації теплоти пічних газів призводить до зниження питомої витрати тепла на нагрівання металу і зменшенню кількості шкідливих викидів в атмосферу на одиницю продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок дослідження зв'язаний з науково-дослідними роботами “Розробка наукових основ конструювання нагрівальних печей з глибокою утилізацією тепла відпрацьованих газів” (Тема Г206G20009), “Розробка ефективних режимів експлуатації камерних печей за екологічними та енергозберігаючими показниками” (Тема Г206G20006), що є базовими для підготовки дисертаційної роботи, де автор являвся відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення енергозберігаючих режимів роботи регенеративних камерних печей на основі математичного моделювання і розробка схеми нагрівальної печі з глибокою утилізацією теплових і матеріальних відходів.

Для досягнення поставленої мети автор ставив перед собою такі задачі:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Методи дослідження. Дослідження роботи камерних печей здійснювалося за допомогою математичних моделей, побудованих на одномірній схемі теплообміну і на застосуванні чисельно-аналітичного методу, реалізованих у виді програми на ПЕОМ мовою Бейсік. Аналітичне розв’язання задачі про нагрівання тіл різної форми отримано за допомогою інтегрального перетворення Лапласа. Експериментально досліджена робота дослідної печі з регенеративними пальниками.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дослідження ефективності застосування регенеративних пальників з кульковою насадкою на камерних нагрівальних печах мають практичне значення для розвитку вітчизняного печебудування. Схема нагрівальної печі з повною утилізацією шкідливих викидів в атмосферу може бути застосована при проектуванні нових і при реконструкції нині діючих великотоннажних печей. Результати роботи у виді рекомендацій з реконструкції і будівництва печей передані АТ “Дніпротяжмаш” і іншим заводам, проектним і науково-дослідним організаціям, що займаються конструюванням і експлуатацією печей металургійних підприємств України, використовуються у навчальному процесі. У червні 2000 р. за результатами роботи кафедра Теплотехніки і екології металургійних печей (ТЕМП) разом із ЦС НТО металургів провела всеукраїнський семінар для співробітників металургійних і машинобудівних підприємств, на якому фахівці-теплотехніки спостерігали за роботою печі з регенеративними пальниками і дали позитивну оцінку їй з погляду енергозбереження.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні і теоретичні дослідження, що ввійшли в дисертаційну роботу, виконані безпосередньо автором за участю співробітників кафедр ТЕМП і Промислової теплоенергетики (ПТЕ) Національної металургійної академії України (НМетАУ). Результати опубліковані в співавторстві з ними. Обробка даних, отриманих у ході досліджень, а також узагальнення результатів зроблені автором самостійно. Здобувачем у співавторстві зі співробітниками кафедри ТЕМП була запропонована схема нагрівальної печі без шкідливих викидів в атмосферу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних конференціях “Чорна металургія Росії і СНД у XXI віці” (Москва, 1994 р.), “Екологія і теплотехніка - 1996” (Дніпропетровськ, 1996 р.), “Теорія і практика розв’язку екологічних проблем у гірничодобувній і металургійній промисловості” (Дні-пропетровськ, 1995 р.), “Екологія виробництва і керування відходами” (Дніпропетровськ. 1996г), “Проблеми пічної теплотехніки” (Дніпропетровськ 1999 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 авторських робіт, у тому числі 5 статей у виданнях, що входять у відповідний перелік ВАК.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Основний матеріал викладено на 157 сторінках машинописного тексту з обліком 23 малюнків і 16 таблиць. Бібліографія містить 151 найменування робіт вітчизняних і закордонних авторів.

Робота виконана на кафедрі ТЕМП НМетАУ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження. Приведені нові наукові результати, що отримані в роботі, показана її практична цінність, особистий внесок здобувача, подано відомості про апробацію результатів роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи приведено огляд літературних джерел, що стосуються застосування регенеративних пальників у країнах зарубіжжя і робиться висновок про перспективність розвитку даного напрямку утилізації тепла відхідних газів широкого профілю промислових печей. Визначено основні напрямки енергозберігаючих заходів і виділено утилізацію тепла відхідних газів, як найбільше перспективний напрямок енергозбереження. Регенерація тепла газів, що виходять з печей – досить добре вивчений процес. Незважаючи на це теплоутилізуючі пристрої продовжують безупинно удосконалюватися. У першому підрозділі показані недоліки існуючих теплоутилізуючих пристроїв. Внаслідок теплових ударів, механічної напруженості нижніх шарів насадка традиційних регенераторів швидко руйнується і вимагає періодичного недешевого ремонту. Недоліком керамічних рекуператорів є недостатня газощільність. У 80-х роках починають інтенсивно удосконалюватися технології спалювання палива і розробляються нові пальникові системи. Новизна таких систем полягає в тому, що в одному агрегаті комбінуються пальникові і теплоутилізуючі пристрої. Такі рішення реалізовані в новому поколінні пальників – рекуперативних, регенеративних і рекуперативно-пальникових блоках. Усе більш широке поширення останнім часом одержують регенеративні пальники, розробка яких є великим досягненням в області використання теплоти високотемпературних відпрацьованих продуктів горіння. Традиційна система регенеративних пальників являє собою два пальники, кожен з яких герметично з’єднано з окремим регенератором. Кожен з пальників може працювати як у режимі власне пальника, так і в режимі димовідвідного каналу для продуктів згоряння. Підведення повітря до регенератора і відвід диму з нього здійснюється за допомогою трубопроводів, що з'єднуються клапаном - перемикачем або з димовим трактом, або з трубопроводом для подачі повітря, у залежності від того, у якому режимі працює відповідний пальник. До основного достоїнства регенеративних пальників можна віднести те, що питома поверхня нагрівання насадки кулькового регенератора в 10-15 разів більше, ніж у цегельних. Це відбувається внаслідок того, що, завдяки малому діаметру кульок, насадка має високорозвинену поверхню. Регенеративні пальники здатні утилізувати до 90% теплоти продуктів згоряння, що відходять. Тому температура відхідних продуктів згоряння за регенератором не перевищує 150-200C. До переваг регенеративних пальників можна віднести простоту очищення насадки регенератора, для чого насадка висипається з кожуха, очищається від пилу струшуванням і промиванням. Після цього чиста насадка завантажується назад у кожух регенератора. Насадка регенераторів повинна бути виконана з матеріалів, що добре сприймають усе тепло відхідних газів, є стійкими до будь-яких складових цих газів, протистояти корозії. В останні роки розроблені керамічні матеріали для таких насадок. Вони витримують сильні теплові удари, завдяки дуже низькому коефіцієнту розширення. Висока хімічна стійкість дозволяє використовувати керамічні матеріали при різко корозійних умовах. Вони можуть використовуватися при температурах понад 1000 0С.

У другому підрозділі першого розділу поставлені задачі і визначені методи дослідження. Для побудови математичної моделі печі і регенераторів нами обрана спрощена одномірна шарова модель теплообміну, широко застосовувана у розрахунках теплообміну в щільному шарі. Шарова схема відповідає умовам роботи конвективних теплообмінників, нагрівальних печей, насадок рекуператорів і регенераторів. Відзначено внесок таких видних учених, як Г.П. Іванцов, Б.Я. Любов, Б.И. Кітаев, Э.М. Гольдфарб і ін. у розвиток теорії теплообміну в шарі. Розглянуто математичну постановку задачі теплообміну в шарі. Для вирішення системи рівнянь обраний числено-аналітичний метод (ЧАМ). Нове аналітичне вирішення нагрівання тіл у протитоці отримано дедуктивним методом з використанням інтегральних перетворень Лапласа.

В першому підрозділі другого розділу зроблений огляд теоретичних робіт з теплообміну в щільному шарі, відзначений значний внесок таких учених, як С.Е. Ростковський, О.С. Невський, А.Є. Єринов В.И. Губинський, В.Г. Лісіенко у дослідженні теплової роботи нагрівальних печей, застосуванні шарової моделі теплообміну до високотемпературних нагрівальних печей з конвективно-променистою тепловіддачею. У другому підрозділі дано новий наближений аналітичний розв’язок задачі про теплообмін у шарі, що рухається, для розрахунку теплообміну в прохідних печах.

Постановка задачі містить у собі два рівняння, розв'язувані щодо безрозмірної температури газу з використанням методу інтегрального перетворення Лапласа:

- рівняння теплового балансу газового потоку

, (1)

- загальний розв’язок рівняння теплопровідності при граничних умовах третього роду

. (2)

Отримані розв’язки з урахуванням одного члена ряду нескінченної суми у виразі (2) мають вигляд:

для випадку

, (3)

для випадку

. (4)

Розв’язки (3,4) справедливі для всіх трьох найпростіших форм тіла (пластина, циліндр, куля).

Отримані вирази для температури газу і їхні похідні по часу підставляють у розв’язки для температури тіл (2) і приводять його до остаточного вигляду.

Наближений розв’язок для протитоку з урахуванням двох членів ряду має вигляд :

(5)

У (1-5) введено наступні позначення:

- відношення теплоємності секундної витрати матеріалу до такої ж по диму;

- безрозмірна температура диму;

- безрозмірна середня по масі температура;

- корінь характеристичного рівняння ;

- критерій Фур'є;

- коефіцієнт, що залежить від ;

.1

Особливістю приведених наближених розв’язків є те, що на відміну від інших відомих розв’язків вони містять табульованный корінь трансцендентного рівняння класичної задачі про нагрівання одиничного тіла у формі пластини, циліндра чи кулі при постійній температурі середовища, що значно полегшує їхнє застосування для інженерних розрахунків. Результати обчислень по отриманих наближених розв’язках порівняли з відомими. В області Fo0,15 температури, розраховані по наближених формулах, практично збігаються з відомими розв’язками, що вказує на правомірність застосування наближених розв’язків для інженерних розрахунків.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений математичному моделюванню регенеративної камерної печі з регенеративними пальниками. У першому підрозділі представлена математична модель регенеративної камерної печі з урахуванням умов вигоряння палива і реверсу пічних газів. Застосовували спрощену схему теплообміну, вважаючи, що потік газів, що гріють, рухається від пальникового пристрою до димових вікон уздовж поверхні нагрівання металу по прямолінійній траєкторії. Довжина робочого простору розділяється на елементарні ділянки (шари), у кожнім з яких відбувається теплообмін між об’ємом газу і поверхнями металу і кладки, розташованими в даному шарі. Швидкість поперечного перемішування газу нескінченно велика, тобто в кожнім елементарному об’ємі передбачається ідеальне перемішування. Футерівку печі вважали адіабатною. Вироби, що нагріваються, подані масивними тілами правильної форми. У розрахунку враховується змінність теплофізичних властивостей тіл від температури. Теплообмін випромінюванням розраховували в сірому наближенні. Повітря підігрівається в регенераторах регенеративних пальників. Моделювали двостадійний режим нагрівання: підйом температури при постійній загальній тепловій потужності і витримка при постійній температурі печі. Математична модель ґрунтується на розв’язанні системи рівнянь миттєвого теплового балансу для газового потоку

(6)

і виразів для розрахунку температур виробів, що нагріваються:

- на поверхні

, (7)

- осі

, (8)

- середньої по масі температури виробів

. (9)

У формулах (6-9) введені наступні позначення: В[k] – секундна витрата палива (м3/с), Сд[i,k] – зведений коефіцієнт випромінювання (Вт/(м2К4)), tд[i,k], Тд[i,k]– температура диму на виході з ділянки (C, К), tд[і-1,k], – температура диму на вході в ділянку (C), Тпов[i,k-1] – температура поверхні садки в попередній інтервал часу (К), ? - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією (Вт/(м2К)), Fi - площа поверхні металу в ділянці (м2), Fкл – площа поверхні кладки в ділянці (м2), R – розрахунковий радіус зливка (м), vд – питомий вихід диму (м3/м3), сд[i,k] – питома теплоємність диму (кДж/(м3К)), Ккл – коефіцієнт втрат тепла через кладку (Вт/(м2К)), Токр – температура навколишнього середовища (К), ?Т0 – початковий перепад температур по перетину металу (К), qэкз[i,k] - питома теплота горіння палива (потужність тепловиділення на 1 м2 поверхні металу) (Вт/м2), i – коефіцієнт, що стосується номера ділянки, k - коефіцієнт, що стосується інтервалу часу, n - номер члена ряду, J0 і J1 - функції Бесселя від дійсного аргументу відповідно нульового і першого порядків, - середня по масі початкова температура металу (C),А[n,i,k], C[i,k], E[i,k] – коефіцієнти, обумовлені з рекурентними співвідношеннями.

Якщо прийняти, що зона горіння визначена з точністю до 5% хімічного недопалу, то питома потужність тепловиділення визначиться як:

(10)

Тут: Fгор – площа поверхні садки, що відповідає довжині факела (м2), Fi – площа поверхні садки на відстані від пальника до середини розглянутої ділянки садки (м2), - температура продуктів горіння в адіабатних умовах при дійсній витраті повітря без урахування фізичного тепла палива і повітря (ДО), Кгор – частка палива, що спалюється в зоні теплообміну в факелі поза пальником.

Математична модель реалізована у вигляді програми на ПЕОМ.

Нагрівання повітря в насадці регенеративного пальника і розігрів самої насадки розраховується за допомогою математичної моделі регенератора, що ґрунтується на схемі теплообміну в нерухомому шарі куль, алгоритм якої представлено у другому підрозділі. Ця модель у виді окремого блоку включена в модель регенеративної печі і працює з нею разом.

У ході розрахунку визначаються такі показники роботи печі: коефіцієнти використання палива (квп) і корисної дії печі (ккд), коефіцієнт регенерації тепла (rф), питомі витрати тепла і умовного палива, масовий вихід оксидів азоту, вигар металу, продуктивність і т.д.

Одним із серйозних недоліків нагрівальних печей є нерівномірність нагрівання садки, яка зв'язана з нерівномірністю температурного полю уздовж печі. У зв'язку з цим однією з задач математичного моделювання регенеративної камерної печі є визначення режимів руху газів і спалювання палива, при яких можливо одержати рівномірне температурне поле газової фази і забезпечити однакові умови поглинання тепла кожним зливком садки. Основним резервом поліпшення рівномірності нагрівання металу уздовж печі є керування масаперенесенням у газовій фазі шляхом зміни довжини факела, а, отже, і перерозподілом екзотермічного тепла, що виділяється в кожній із зон печі і раціональним вибором типу власне пальникового пристрою регенеративного пальника.

З рівняння миттєвого теплового балансу (6) для газового потоку в робочому просторі печі з урахуванням умов вигоряння палива в факелі виділені такі параметри, що впливають на процеси розподілу теплоти уздовж робочого простору: Кгор – частка палива, що спалюється в зоні теплообміну в факелі поза пальником, Fгор/Fобщ - відношення площі поверхні зливків, розташованих безпосередньо під факелом пальника (площі горіння) до сумарної площі поверхні садки (безрозмірна довжина факела).

На моделі реверсивної камерної печі було проведене дослідження впливу цих факторів на рівномірність нагрівання садки уздовж печі. Задовільна рівномірність нагрівання великовантажної садки уздовж печі досягається при спалюванні всього палива в факелі поза пальником (Кгор=1) і при довжині факела, що дорівнює довжині печі (Fгор/Fобщ=1). Максимальна різниця значень средніх по масі температур окремих зливків садки не перевищує 36С. У цьому випадку здається можливим використовувати для розрахунку регенеративних печей з кульковими регенераторами спрощену модель печі в режимі ідеального перемішування, алгоритм якої представлено у четвертому підрозділі третього розділу. Ця математична модель також реалізована у вигляді програми на ПЕОМ.

Результати моделювання реверсивної печі і регенератора показали, що ступінь регенерації тепла в печі з регенеративними пальниками змінюється від 0,75 до 0,84, температура підігріву повітря в кулькових регенераторах змінюється від 1120C до 1200C, а температура диму, що йде з регенератора - від 100C до 150C за цикл між перекиданнями клапанів (реверсом пічних газів). За результатами моделювання при подальших розрахунках на математичній моделі ідеального перемішування ступінь регенерації тепла для реверсивних печей з регенеративними пальниками приймалася середньою і дорівнювала rf=0,8.

У першому підрозділі четвертого розділу за допомогою математичного моделювання досліджено вплив загальної максимальної теплової потужності на техніко-економічні і екологічні показники роботи нагрівальних камерних печей при гарячому і холодному посаді.

Максимальна теплова потужність, стосовно до камерних печей, є самою розповсюдженою характеристикою нагрівального пристрою з теплотехнічної точки зору, що найбільш повно характеризує потенціал печі. Від максимальної теплової потужності залежать практично всі показники роботи печей камерного типу. Вона легко піддається регулюванню і, у той же час, досить повно змінює техніко-економічні і екологічні параметри роботи печі у залежності від поставлених задач.

Результати моделювання камерних нагрівальних печей з традиційними цегельними регенераторами (rf=0.4) подано нижче.

Істотний вплив теплової потужності на продуктивність печі спостерігається в діапазоні питомої теплової потужності (відношення максимальної теплової потужності печі до площі поверхні садки) до 108 кВт/м2. Подальше збільшення теплової потужності при нагріванні зливків гарячого посаду з погляду підвищення продуктивності практично марне.

Для зливків холодного посаду темп росту продуктивності в області 90 кВт/м2 - 160 кВт/м2 майже в 2 рази менше, ніж в області питомих потужностей від 60 кВт/м2 до 90 кВт/м2 і майже в 3 рази менше, ніж той же показник у першому інтервалі питомих потужностей 40 кВт/м2 - 60 кВт/м2, що підтверджує загальну тенденцію зниження темпу росту продуктивності зі збільшенням теплової потужності.

Аналіз впливу питомої потужності на питому витрату умовного палива для зливків гарячого посаду дозволяє зробити висновок про те, що режими з питомою потужністю вище 75 кВт/м2 можна вважати оптимальними за енергозберігаючими показниками роботи печі.

Для холодного посаду є чітко виражена область з мінімальною витратою палива, тобто для конкретної печі за результатами математичного моделювання можна вибрати оптимальну величину продуктивності і потужності печі по мінімуму питомої витрати палива. Оптимальна величина питомої теплової потужності складає в нашому випадку 60 – 90 кВт/м2.

У другому підрозділі досліджено вплив загальної теплової потужності на продуктивність і питому витрату умовного палива камерної печі з регенеративними пальниками (rf=0.8).

Істотний вплив теплової потужності на продуктивність печі спостерігається в діапазоні питомої потужності до 100 кВт/м2. При роботі печей з високим ступенем регенерації тепла димових газів подальше збільшення потужності в першому періоді веде лише до зниження тривалості періоду інтенсивного нагрівання. Період витримки садки при високих температурах подовжується, що веде до росту кількості викидів оксидів азоту в атмосферу.

Для холодного посаду при росту питомої потужності з 40 до 100 кВт/м2 продуктивність зросла в 1,79 рази, а при подальшому рості питомої потужності до 160 кВт/м2 – у 1,13 разів.

Для зливків холодного і гарячого посадів підвищення питомої теплової потужності в першому періоді понад 80 кВт/м2 не веде до збільшення питомої витрати палива. При виборі потужності в цих областях варто виходити з міркувань забезпечення необхідної продуктивності.

У результаті застосування регенеративних пальників питома витрата палива для гарячого посаду знизилася у 1,9-2,0 рази; для зливків холодного посаду в 1,5 рази. Ріст продуктивності склав до 35% при гарячому і 10-30% при холодному посаді для тих самих рівнів потужностей.

У третьому підрозділі четвертого розділу наведено результати теплотехнічного випробування дослідно-промислової нагрівальної печі з регенеративними пальниками. На кафедрі ТЕМП НМетАУ була спроектована, побудована і випробувана дослідна регенеративна нагрівальна піч камерного типу з розмірами 593011701050 мм, обладнана системою регенеративних пальників з насадкою, що складається з корундових окатишів діаметром 205 мм. Об’єм насадки кожної з пальників - 500500500 мм. Час між перекиданнями клапанів складав 1 хвилину. У процесі випробування піч працювала з витратою природного газу 33,6 м3/г. Після виходу печі на стаціонарний стан (заміряні температури кладки всередині печі не змінювалися впродовж тривалого часу) виконувалися виміри температурних та інших параметрів. Температура кладки уздовж робочого простору складала 1200C, що вказує на рівномірність розподілу температурних полів у робочому просторі. Аеродинамічний опір насадки 150-200 Па. Спостерігалося стабільне горіння факела. Температура підігріву повітря в регенераторах склала, у середньому за цикл, - 890C, а температура диму, що відходить, з регенераторів - 110-135C. За даними випробувань складено тепловий баланс печі. За даними теплового балансу розрахували коефіцієнт використання палива (КВП) у печі: 1=88,5 %. Розрахунки КВП робили з урахуванням даних газового аналізу в робочому просторі печі. Коефіцієнт витрати повітря склав 1.1.

КВП для даної установки, розрахований без урахування регенерації тепла відхідних газів у кулькових регенераторах, склав би 2=52,2 %.

Економія природного газу від застосування регенеративного опалення:

,

ступінь регенерації тепла склала .

За результатами експерименту проведена адаптація математичної моделі регенератора, що дозволяє використовувати її для достовірного розрахунку промислових печей з регенеративними пальниками.

Четвертий підрозділ останнього розділу присвячено розробці технологічної схеми великотоннажної нагрівальної печі нового покоління. Відмінною рисою печей нового покоління є глибока утилізація теплоти пічних газів. З цією метою прохідні печі мають подовжену підігрівальну зону, у тому числі зону попереднього підігріву зі струминним обдувом металу пічними газами, що вийшли з рекуператора. Найбільш великі печі забезпечуються котлами-утилізаторами. Альтернативою даного вузла є утилізація теплоти в кулькових регенераторах. При виборі схеми для конкретної печі варто керуватися міркуваннями про необхідну потребу у парі і підігрітій воді. Якщо такої необхідності немає, тепло доцільно повертати в робочий простір печі у вигляді підігрітого в кулькових регенераторах повітря. У пропонованому варіанті глибока утилізація теплоти пічних газів здійснюється послідовно по ходу газів у три стадії: попередній підігрів металу в печі; підігрів повітря в рекуператорі і (чи) отримання пари у котлі-утилізаторі; підігрів води в контактних теплообмінниках. Температура газів наприкінці димового тракту знаходиться на рівні 50C. Викид їх в атмосферу після хімічної утилізації здійснюється примусово, дутьевою машиною без застосування відповідних димових труб. Для нейтралізації шкідливих викидів до складу пічної системи включаються такі екологічні вузли: вуглекислотна установка для вилучення з газів двоокису вуглецю, контактний теплообмінник-абсорбер, що служить для охолодження газів водою і вимивання з них оксидів азоту і сірки, вузол нейтралізації підкисленої води з одержанням добрив, як твердого осаду, і вузол очищення димових газів від оксидів азоту. Усі вузли пропонованої схеми випробувані практично і можуть бути розроблені для конкретних об'єктів на підставі досить достовірних методик.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Основний зміст дисертації опубліковано у роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

АНОТАЦІЇ

Єрьомін О.О. Енергозберігаючі режими нагрівання металу в камерних печах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06. – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена вибору енергозберігаючих режимів нагрівання металу в камерних нагрівальних печах, обладнаних регенеративними пальниками. Побудована і випробувана камерна піч, обладнана регенеративними пальниками з кульковими регенераторами. Розроблені і реалізовані у вигляді програм на ПЕОМ розрахункові моделі нагрівальної камерної печі з регенеративними пальниками і кульковим регенератором, що ґрунтую-ться на шаровій схемі теплообміну, виконана їхня адаптація. Розрахунковим шляхом і експериментально встановлені основні показники використання палива і економія палива від застосування регенеративних пальників. Визначено параметри спалювання палива в печах, обладнаних регенеративними пальниками, при яких досягається задовільна рівномірність нагрівання великотоннажної садки уздовж печі. Визначено оптимальні значення питомої теплової потужності камерних печей з традиційними цегельними регенераторами і з регенеративними пальниками з погляду енергозбереження. Розроблено схему великовантажної нагрівальної печі з глибокою тепловою і хімічною утилізацією викидів, що відрізняється тим, що всі елементи схеми промислово випробувані і можуть бути розраховані за допомогою достовірних методик. Показано екологічну перспективність розвитку даного напрямку печебудування. Отримано новий наближений розв’язок нагрівання тіл правильної форми у протитоці з газами, що відрізняється від відомих раніше наближених розв’язків простотою застосування і більш високим порядком точності.

Ключові слова: камерна піч, регенеративний пальник, теплова потужність, енергозбереження, протиток.

Ерёмин А.О. Энергосберегающие режимы нагрева металла в камерных печах. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена выбору энергосберегающих режимов нагрева металла в камерных нагревательных печах, оснащённых регенеративными горелками. Регенеративные горелки с шариковыми регенераторами, обеспечивают высокотемпературный подогрев реагентов горения за счёт глубокой утилизации тепла отходящих дымовых газов. Выполнен анализ современных способов утилизации тепла уходящих из печи дымовых газов и обоснована перспективность применения в печах металлургии и машиностроения регенеративных горелок. Построена и испытана камерная печь, оснащённая регенеративными горелками с шариковыми регенераторами. Произведены балансовые испытания опытно-промышленной печи. Опытным путём подтверждена работоспособность реверсивной системы отопления с переключением клапанов через 1 минуту. Наблюдалось стабильное сжигание топлива с равномерным распределением температуры по всей длине печи. В результате балансового испытания подтверждена эффективность энергосбережения при переводе печи на отопление регенеративными горелками. Разработаны и реализованы в виде программ на ПЭВМ расчётные модели нагревательной камерной печи с регенеративными горелками и шарикового регенератора, основанные на слоевой схеме теплообмена, произведена их адаптация. Расчётным путём и экспериментально установлены основные показатели топливоиспользования и экономия топлива от применения регенеративных горелок. Определены параметры сжигания топлива в печах, оборудованных регенеративными горелками, при которых достигается удовлетворительная равномерность нагрева крупнотоннажной садки по длине печи. Определены оптимальные значения удельной тепловой мощности камерных печей с традиционными кирпичными регенераторами и с регенеративными горелками с точки зрения энергосбережения. Разработана схема крупнотоннажной нагревательной печи с глубокой тепловой и химической утилизацией выбросов, отличающаяся тем, что все элементы схемы промышленно опробованы и могут быть рассчитаны с помощью достоверных методик. Показана экологическая перспективность развития данного направления печестроения. Получено новое приближённое решение нагрева тел правильной формы в противотоке с газами, отличающееся от известных ранее приближённых решений простотой применения и более высоким порядком точности. В области Fo0.15, характерной для большинства случаев нагрева, температуры, рассчитанные по приближенным формулам, практически совпадают с известными решениями, что указывает на правомерность применения приближенных решений для инженерных расчётов. Особенностью полученных решений является то, что в отличие от других известных они содержат табулированный корень трансцендентного уравнения классической задачи о нагреве единичного тела в форме пластины, цилиндра или шара при постоянной температуре среды.

Ключевые слова: камерная печь, регенеративная горелка, тепловая мощность, энергосбережение, противоток.

Eryеmin A.O. Modes,