Національна металургійна академія України
Національна металургійна академія України
ГРЕС Леонід Петрович
УДК 669.162.231.085(088.8)
На правах рукопису
ТЕОРЕТИЧНЕ УЗАГАЛЬНЕННЯ ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ В
ДОМЕННИХ ПОВІТРОНАГРІВАЧАХ
05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Дніпропетровськ - 2000
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Національній металургійній академії України.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Губинський Михайло Володимирович,
Національна металургійна академія України,
професор кафедри промислової теплоенергетики,
м. Дніпропетровськ;
доктор технічних наук, професор,
Левченко Борис Олексійович,
Харківський державний політехнічний університет,
завідувач кафедри теплотехніки, м. Харків;
доктор технічних наук, професор,
Циганков Григорій Тимофійович,
Український державний хіміко-технологічний університет, завідувач кафедри енергетики, м. Дніпропетровськ.
Провідна установа: Інститут газу НАН України, м. Київ.
Захист відбудеться 23.01.2001 р. о 12-30 год., на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).
Автореферат розісланий 19.12.2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої ради Д 08.084.03 Цапко В.К.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Чорна металургія України споживає близько 30 відсотків загальних витрат енергоносіїв в промисловості. При цьому в нашій державі рівень енергетичних витрат на одиницю кінцевої продукції значно вище чим в розвинутих промислових країнах.
В загальних витратах палива в доменному виробництві більш ніж 70% приходиться на кокс, 18% - на природний газ, та 11% - на доменний газ. Біля 30% доменного газу, виробленого доменними печами, споживається повітронагрівачами для нагрівання дуття.
Для забезпечення проектної температури дуття 1150-1250°С рівень теплоти спалення доменного газу є недостатнім, тому цей газ збагачують природним газом в кількості, що відповідає 15-20 млн м3 на рік для однієї доменної печі об'ємом 1513 м3. У той же час тепло відхідних димових газів не використовується, що приводить до збільшення витрат палива та забруднення довкілля.
Питомі витрати коксу в доменному виробництві в значній мірі залежать від рівню температури дуття, який визначається режимами спалення і експлуатації повітронагрівачів, а також терміном їх служби.
В останні роки в повітронагрівачах стали використовувати динасові вогнетриви, які мають низьку термостійкість при температурах нижче 670°С. В зв'язку з цим, при конструюванні повітронагрівачів та їх сушінні і розігріванні необхідно достатньо точно розраховувати розподіл температур по висоті і товщині кладки.
Відомо, що капітальні витрати на енергозбереження в 3-4 рази менше витрат на виробництво енергоносіїв. Їх економія має не тільки економічний, а й екологічний ефект.
Зазначені обставини висувають в число актуальних проблем створення та розробку енергозберігаючих технологій нагрівання доменного дуття. Це визначило науковий напрямок теоретичних та експериментальних досліджень.
Питання, які розглядаються в дисертації, находяться в руслі Положення Комплексної державної програми енергозбереження. Робота тісно пов'язана з планами НДР Національної металургійної академії України, координаційними планами галузевого замовлення Міністерства промислової політики та рішеннями Комісії Президії Ради Міністрів України (протокол № 85 від 24.04.91р.).
Мета роботи. Теоретичне обгрунтування, розробка, дослідження і впровадження на повітронагрівачах доменних печей енерго-природозберігаючих технологій нагрівання дуття, що забезпечують зниження питомих витрат коксу,природного та доменного газів, підвищення кампанії повітронагрівачів та скорочення шкідливих викидів в довкілля.
Завдання дослідження: - аналіз існуючих методів і розробка удосконаленого методу з більшою точністю розрахунку доменних повітронагрівачів;
- розробка універсального методу розрахунку розподілу температур по товщині кладки при різноманітних граничних умовах як для стаціонарного (експлуатація повітронагрівачів), так і нестаціонарного поля (сушіння та розігрівання кладки);
- розробка методу розрахунку коефіцієнта використання палива (КВП) для системи повітронагрівач-теплообмінник, а також економії палива при утилізації тепла для підігрівання компонентів спалення;
- обгрунтування, вибір цільової функції і визначення оптимальної поверхні нагрівання блоку повітронагрівачів;
- визначення впливу конструкції піднасадочного пристрою і різноманітних способів подачі холодного дуття у повітронагрівачі на різноманітність розподілу потоку дуття по перетину насадки та значення температури нагрітого дуття;
- теоретичне обгрунтування використовування рециркуляції продуктів спалення в повітронагрівачах і його впливу на витрати палива, температуру дуття та кількість шкідливих викидів у довкілля;
- порівняльний аналіз параметрів експлуатації повітронагрівачів при регулюванні температури під куполом надлишком повітря і природним газом;
- теоретичне обгрунтування забезпечення заданої температури під куполом при опаленні повітронагрівачів тільки доменним газом (при повному виключенні природного газу);
- вибір і визначення найкращих техніко-економічних показників роботи повітронагрівачів при різноманітних способах іх опалення;
- теоретичне обгрунтування використання двостадійного спалення палива в доменних повітронагрівачах;
- оцінка термонапруженого стану кладки і кожуха повітронагрівача з новими вогнетривкими матеріалами під час сушки, розігрівання та експлуатації;
- теоретична оцінка особливостей механізму утворення "паливних" оксидів азоту при використанні доменного та коксувального газів;
- аналіз впливу різноманітних факторів на параметри експлуатації пристрою для постановки доменної печі на "тягу", минаючи повітронагрівачі.
Наукова новизна отриманих результатів: - установлені залежності між пірометричним коефіцієнтом спалення і температурою під куполом для різноманітних конструкцій доменних повітронагрівачів, а також між питомими втратами тепла і температурою кожуха повітронагрівачів;
- досліджено і доказано, що в доменних повітронагрівачах граничні умови III роду розповсюджуються у верхній зоні насадки (в період нагрівання) та у нижній її зоні (в період дуття) на глибину 8,5-9,3% від загальної висоти насадки. Для решти насадки під час всіх періодів експлуатації повітронагрівачів розповсюджуються граничні умови II роду;
- удосконалено метод розрахунку повітронагрівачів (Семикіна Й.Д. і Гольдфарба Е.М.) для заново розроблених типів насадки, яка складається з динасових, високоглиноземних та шамотних вогнетривів, в частині визначення пірометричного коефіцієнту, витрат палива та розподілу температур продуктів спалення по висоті насадки з урахуванням втрат тепла через кладку, уточнення граничних умов по висоті насадки та використання поняття теплової потужності повітронагрівачів та теплового дефіциту;
- вирішена задача про вибір оптимальної поверхні нагрівання блоку повітронагрівачів при використанні критерію мінімуму приведених витрат;
- установлена залежність між коефіцієнтом використання тепла палива (КВП) та витратами і температурою дуття, а також кінцевою температурою продуктів спалення в системі повітронагрівачі-теплообмінник для нагрівання компонентів спалення;
- розроблено метод розрахунку стабілізації температури гарячого дуття в тепловому акумуляторі, в якому в теплообмінній масі використовано плавку речовину;
- отримані розрахункові і експериментально-промислові дані про рівень температур і напруг в кладці та кожусі повітронагрівачів з новим компенсаційним шаром (МКРМ-350) та запропонованим режимом розігрівання повітронагрівачів в періоди їх сушки, розігрівання та експлуатації;
- розроблено механізм утворення "паливних" оксидів азоту при спаленні доменного та коксувального газів;
- розроблено метод розрахунку кількості інертного газу для регулювання тиску в трубі пристрою для постановки доменної печі на "тягу", минаючи повітронагрівачі.
Практичне значення отриманих результатів: - розроблено метод розрахунку температур по висоті і товщині кладки повітронагрівачів, який дозволяє вірно вибрати тип вогнетривких матеріалів, особливо зони динасу;
- запропоновано новий динамічний спосіб подачі холодного дуття в піднасадочний простір повітронагрівачів;
- запропоновано нову конструкцію стабілізатора температури дуття;
- розроблена нова система тепломасообмінників з проміжним теплоносієм для нагрівання компонентів спалення;
- запропоновано новий спосіб нагрівання повітронагрівачів при роздільній подачі доменного та природного газів;
- розроблена нова система теплообмінників рекуперативного та регенеративного типів для нагрівання повітря спалення;
- запропоновані і впроваджені нові способи і пристрої для сушки і розігрівання повітронагрівачів;
- запропоновані і реалізовані на практиці нові технічні рішення по удосконаленню конструкцій купола і штуцера гарячого дуття;
- запропоновані і впроваджені нові пристрої для постановки доменної печі на "тягу", минаючи повітронагрівачі;
- ефективне використання розробок дисертації в учбовому процесі.
Реалізація результатів роботи. Результати теоретичних і експериментальних досліджень впроваджені:
- сушка та розігрівання повітронагрівачів на металургійних підприємствах галузі;
- удосконалена конструкція купола повітронагрівачів на доменній печі № 4 Краматорського метзаводу;
- удосконалена конструкція штуцера гарячого дуття на доменній печи № 3 Краматорського метзаводу;
- новий пристрій для постановки доменної печі на "тягу", минаючи повітронагрівачі, на печах №№ 8,9,10,11,12 ВАТ Дніпровський меткомбінат ім. Дзержинського, а також на доменній печі № 5 ВАТ Єнакієвський метзавод;
- пристрій для сушки повітронагрівачів на доменній печі № 4 Краматорського метзаводу.
Результати роботи, які використані в робочій документації Укрдіпромезу, Азовдіпромезу і ДПІ "Дніпропроектстальконструкція":
- двостадійне спалення газу в доменних повітронагрівачах;
- теплообмінники з проміжним теплоносієм для нагрівання доменного газу та повітря спалення;
- динамічна подача холодного дуття в піднасадочний простір для зниження нерівномірності розподілу дуття по перетину насадки;
- роздільна подача доменного та природного газів на кожен повітронагрівач для економії природного газу та підвищення температури дуття;
- пристрій для захисту тракту гарячого дуття при зупинках доменної печі;
- захист кожуха повітронагрівача від міжкристалітної корозії;
- аеродинамічний захист камери спалювання повітронагрівачів.
Частка автора у фактично досягненому економічному ефекті від впровадження розробок склала 231,1 тис. крб., а від впровадження розробок в проекти - 1890,3 тис. крб. (в цінах 1990р.).
Особистий вклад претендента. У дисертації узагальнені результати, отримані автором в ході виконання науково-дослідних робіт в період з 1978р. до цього часу під його керівництвом або за його беспосередньою участю. Основні ідеї, научні і теоретичні положення розроблені автором особисто. Проведення промислових експериментів і впровадження результатів роботи здійснювались при співробітництві з фахівцями меткомбінатів "Азовсталь", ім. Ілліча, Дніпровського ім. Дзержинського, "Запоріжсталь", "Криворіжсталь" і метзаводів Краматорського, Єнакієвського та ім. Петровського.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались, обговорювались та одержували позитивну оцінку на:
- V Міжнародному конгресі доменщиків (Дніпропетровськ - Кривий Ріг, 1999 р.);
- VI та VII Міжнародних науково-технічних конференціях "Gospodarka cieplna i eksploatacja piecow przemyslowych" (Czestochowy, Poland, 1997, 1999);
- Міжнародному форумі TMS-2000 "High temperature processes for waste treatment and minimization" (Idoho, USA, 2000);
- Міжнародних науково-технічних конференціях "Energeticke premeny v priemysle" (Kosice, Slovakija, 1996, 1998);
- II та III Міжнародних симпозіумах "State and development metal processing" (Split and Sibenek - Crotia, 1996, 1998);
- Міжнародній конференції "Екологія і теплотехніка 96; (Дніпропетровськ, 1996);
- Міжнародній конференції "Стан та перспективи розвитку аглодоменного виробництва України" (Маріуполь, 1997);
- VI Міжнародному екологічному конгресі "Progress to meet the challaenge of environmental change" (Manchester, United Kingdom, 1994);
- Всеукраїнській науково-практичній конференції "Теорія і практика рішень екологічних проблем в гірничодобувній та металургійній промисловості" (Дніпропетровськ, 1993);
- Міжнародному семінарі "Научні основи конструювання металургійних печей: теплотехніка і екологія" (Дніпропетровськ, 1993);
- республіканській конференції "Питання поліпшення теплової роботи і конструкцій металургійних печей" (Дніпропетровськ, 1981).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 20 статтях в наукових журналах, 17 авторських свідоцтвах на винаходи, а також 4 матеріалах праць науково-технічних конгресів і конференцій.
Структура дисертації. Робота складається з вступу, шести розділів і висновків, викладена на 437 сторінках, включає 44 таблиці, 112 рисунків, 14 додатків і список використованих літературних джерел з 293 найменувань.
Автор висловлює щиру вдячність д.т.н. професору Губинському В.Й., д.т.н. професору Ольшанському В.М., к.т.н. професору Аверіну С.І., к.т.н. професору Свинолобову М.П., к.т.н. ст. науковому співробітниові Флейшману Ю.М., керівнику і головному конструктору доменного відділу Укрдіпромезу Жарикову А.М. і Гусарову О.С. за плідну співпрацю при виконанні досліджень, фахівцям меткомбінатів "Азовсталь", ім. Ілліча, "Запоріжсталь", "Криворіжсталь", Придніпровського ім. Дзержинського та метзаводів ім. Петровського, Єнакієвського і Краматорського за підтримку і надану допомогу в проведенні досліджень і впровадженні їх результатів.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, сформульовані мета і завдання роботи.
В розділі 1 розглянуто сучасний стан теорії регенеративного теплообміну та енергозбереження в доменних повітронагрівачах, а також рівня нагрівання доменного дуття в галузі. На основі цього аналізу сформульовані проблеми теоретичних досліджень і прикладних розробок дисертаційної роботи.
В розділі 2 розглянуто проблеми теоретичного узагальнення енергозберігаючих технологій нагрівання дуття в доменних повітронагрівачах.
Для розробки енергозберігаючих технологій нагрівання дуття необхідно мати слідуючі достатньо точні методи розрахунку: параметрів горіння різноманітних видів палива і варіантів опалення для одержання заданої температури під куполом; розподілу температур теплоносіїв (насадка, продукти спалення і дуття) по висоті насадки і товщині кладки в періоди нагрівання та дуття; впливу тривалості періодів експлуатації повітронагрівачів, теплової потужності і розмірів насадки на параметри теплообміну та температуру нагріву дуття; коливання температур в періоди нагрівання і дуття.
Теорію регенерації тепла розвивали і внесли значний вклад: Семикін Й.Д., Гольдфарб Е.М., Аверін С.І., Левченко Б.О., Кошельник В.М., Тимофєєв В.І., Шкляр Ф.Р., Малкін В.М., Каштанова С.П., Калугин Я.П., Соломенцев С.Л., Хаузен Х., Хейлигенштедт В., Виллмотт А., Санна Д. та інші.
При розрахунках повітронагрівачів як завжди задаються температурою під куполом (1300-1450°С). Так як теплота спалення доменного газу незначна, то доменний газ збагачують природним, підігрівають компоненти горіння, або збагачують повітря горіння киснем.
Температури палива (tп) і повітря (tпов) розраховували з допомогою слідуючих рівнянь:
;
, °С. (1)
При визначенні температури під куполом (tкуп) необхідно розрахувати пірометричний коефіцієнт горіння (hпір)
. (2)
У відомих методиках розрахунку повітронагрівачів hпір задають (hпір = 0,90-0,95). Але, якщо прийняти мінімальне та максимальне значення hпір, то при температурі під куполом 1400°С необхідна температура нагріву повітря буде відрізнятися на 160°С (710 і 550°С), а відсотковий вміст кисню в повітрі горіння - на 10% (37,5 і 27,5%).
В зв'язку з цим розроблена методика розрахунку hпір, яка враховує втрати тепла, тип конструкції повітронагрівачів, а також температуру під куполом.
Температуру під куполом визначали, використовуючи тепловий баланс для камери спалення і підкупольного простіру.
. (3)
Звідки , °С (4)
де: В - витрати палива, м3/с;
Vпг - вихід продуктів горіння, м3/м3;
Qфіз - фізичне тепло нагрітих компонентів спалення;
tц = Dt + Dt' + tn - тривалість циклу роботи повітронагрівачів, с;
- кількість втраченого тепла із зони горіння через футеровку, втрати на акумуляцію тепла в кладці камери спалення і купола.
. (5)
Якщо прийняти тепло хімічного недопалу Qн = 0, то
. (6)
Використовуючи розрахунки, визначені залежності, графічні та у вигляді рівнянь : питомих втрат тепла (qвт) від температури кожуха повітронагрівачів (tкож), (рис. 1), де
, (7)
; КВт/м2 (8)
пірометричного коефіцієнту від температури під куполом (рис. 2), де
; (9)
; (10)
. (11)
Дуже важливим питанням для розробки енергозберігаючих технологій нагрівання дуття є визначення витрат палива та розподілу температур по висоті насадки.
Для визначення витрат палива в метод розрахунку повітронагрівачів ввели поняття теплової потужності (Мо) і теплового дефіциту (DIзас)
, КВт (12)
, КВт (13)
- кількість тепла засвоєного насадкою, а потім передано дуттю;
- приведені втрати тепла через кладку, камер горіння і насадки, які визначаються з допомогою рис. 1.
, (14)
де: - втрати тепла через кладку, камери насадки.
З врахуванням рівняння (14),
. (15)
В цьому рівнянні два невідомих (Мо і В), тому треба використовувати метод послідовного приближення.
. (16)
В методі розрахунку Й.Д.Семикіна і Е.М.Гольдфарба при визначенні розподілу температур по висоті насадки не ураховуються втрати тепла через кладку. Якщо урахувати ці втрати, то рівняння теплового балансу для зон насадки буде слідуюче
. (17)
Із (17) находили значення ентальпій продуктів спалення для кожної зони насадки:
- для першої зони
, (18)
- для другої зони
. (19)
і аналогічно для третьої зони.
Розрахунки розподілу температур по висоті насадки без і з урахуванням втрат тепла (табл. 1) показали, що для компенсації теплових втрат необхідно збільшувати витрати палива до 12%, що приводить до підвищення температури продуктів спалення, особливо на вихіді з насадки.
Таблиця 1.
Результати розрахунків параметрів насадки з урахуванням втрат тепла через кладку
№ пп Параметри Без урахування втрат тепла З врахуванням втрат тепла
1 Температура під куполом, °С 1300 1300
2 Температура дуття, °С 1150 1150
3 Втрати тепла через кладку, %:
- камеру горіння; - 10,9
- камеру насадки - 3,1
4 Витрати газу на опалення, м3/с (витрати/відхилення, %) 6,93/12 7,89
5 Температура продуктів спалення на виході з кожної зони насадки, °С, (температура/відхилення, d, %), де , %:
- перша зона 950/1,04 960
- друга зона 550/11,3 620
- третя зона 245/14,0 285
Таким чином, при розрахунках витрат палива та розподілу температур по висоті насадки необхідно враховувати втрати тепла через кладку повітронагрівачів.
Згідно методики Й.Д.Семикіна і Е.М.Гольдфарба для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі в насадці приймають її розбивку на три практично одинакові зони і граничні умови III роду для верху насадки в період нагрівання і для її низу в період дуття, а для решти насадки - граничні умови II роду.
В сучасних високотемпературних повітронагрівачах насадка складається із трьох зон: 10-15 м динаса, 4-8 м високоглиноземних вогнетривів (МКВ-72), а решта - шамот типу ШВ-37. Для прийнятої розбивки насадки складно враховувати теплофізичні властивості різноманітних вогнетривів. Крім цього експерименти показують, що температури продуктів спалення і дуття не можуть бути постійні на глибину насадки 10-15 м. Таким чином, дійсні умови експлуатації повітронагрівачів повністю не відповідають прийнятим граничним умовам.
Визначити висоту зони дії граничних умов II роду можливо по характерній зміні температур рухомого теплоносія і середньої температури насадки в регулярному періоді, коли швидкість зміни температур постійна. Крім цього цю зону можливо визначити, використовуючи слідуючі умови:
. (20)
Зони, де ця умова не виконується, відносяться до області дії граничних умов третього роду. Ці дії представляють інженерний метод рішення зворотньої задачі теплопровідності і визначення граничних умов по характеру температур на ділянках насадки.
Для умов q - const для періоду нагрівання температура поверхні (tп) і центру (tс) визначається із рівнянь
, (21)
, (22)
, (23)
відкіля . (24)
Для визначення зон дії граничних умов виконувались розрахунки параметрів насадки при її розбивці на 3,4,5 і так до 15 зон, коли розрахункові значення параметрів загальної поверхні нагріву насадки останніх двох розбивок практично не відрізняються (розходження - 0,016%). Розрахунки показали, що глибина верхньої й нижньої зон насадки, де виконуються граничні умови III роду, складає 8,5-9,3% від загальної висоти насадки. Для решти насадки дотримуються граничні умови II роду. Відхилення значень поверхні нагрівання при розбивці насадки на 3 і 15 зон сягає 9,4% (табл. 2), що визиває значні похибки і показує неообхідність корегування методики розрахунку.
Таблиця 2.
Вплив кількості зон розбивки насадки на величину загальної поверхні нагрівання одного повітронагрівача
Кількість зон розбивки Загальна поверхня нагрівання Загальна висота насадки, м
м2 Відхилення по відношенню з розбивкою на 3-и зони, %
1 2 3 4
3 41391 - 33,98
4 40421 2,34 33,18
5 39594 4,34 32,50
6 39004 5,77 32,02
7 38547 6,87 31,64
8 38421 7,18 31,54
9 38178 7,77 31,34
10 37961 8,29 31,16
12 37774 8,74 31,01
14 37502 9,40 30,79
15 37496 9,41 30,78
Нагрів доменного дуття вимагає значні інвестиції (Зін) (кап.витрати), затрати на паливо (Зп), електроенергію (Зел) і штрафи за шкідливі викиди (Зв).
При зниженні поверхні нагрівання повітронагрівачів необхідно збільшувати витрати енергоносіїв. Таким чином, існує оптимальне значення питомої поверхні нагрівання повітронагрівачів, коли загальні витрати будуть мінімальними.
Для формулювання критерію оптимальності використовували цільову функцію
. (25)
Витрати палива визначали із теплової потужності
, (26)
а для кінцевої температури дуття використовували формулу
, (27)
де: W і W' - водяні еквіваленти продуктів спалення і дуття, КВт/мЧК;
c - коефіцієнт теплопередачі, КДж/м2ЧК цикл; F - поверхня нагрівання, м2.
Підставивши в (25) значення витрат палива (В) і кінцевої температури дуття () і, використав метод дослідження функцій класичного аналізу, визначили похідну , тощо.
Використовуючи данні розрахунків повітронагрівачів із різноманітними значеннями поверхні нагрівання, побудована залежність розглянутих витрат від поверхні нагрівання (рис. 3).
Для перевірки точності рішення задачі використовано графічно-аналітичний метод визначення оптимальної поверхні нагрівання повітронагрівачів. Для цього графічні залежності усіх витрат представлені у вигляді багаточленів типу . Далі оптимальну поверхню нагрівання знаходили аналогічним шляхом. При цьому розбіжність двох методів склала 1,2%.
Розрахунки показали,що питома оптимальна поверхня нагрівання блоку повітронагрівачів на 40-50% менше існуючої (24-26 проти 34-38 ). Оптимальній поверхні відповідає середня температура відходячих продуктів спалення 370-400°С при максимальному значенні 650-700°С. При існуючих конструкціях піднасадочних пристроїв неможливо підтримувати такі температури. У зв'язку з цим, а також з "розмитістю" оптимума, доцільно збільшити значення оптимальної поверхні до 29-31 м2хв/м3. При цьому середня температура відхідних продуктів спалення зменшиться до 300-320°С і це дасть можливість повністю виключити природний газ, що витрачається на нагрів дуття, за рахунок підігрівання повітря і газу при утилізації тепла продуктів спалення.
Розроблена методика розрахунку коефіцієнта використання палива (КВП) для системи повітронагрівачі-теплообмінник, а також економії палива при утилізації тепла відхідних продуктів спалення для нагрівання повітря і палива.
Використовуючи рівняння теплового балансу для системи повітронагрівачі-теплообмінник, визначили КВП для цієї системи (КВПс) і окремо для повітронагрівача (КВППВ).
(34)
(35)
де: і - втрати тепла в повітронагрівачеві і теплообміннику.
Таким чином, КВП можливо визначити як по відомому співвідношенні, що показує частину тепла, що залишається в робочому просторі при спаленні палива, а також використовуючи (34 і 35), що показує, куди витрачається це тепло.
В розділі 3 розглянуті питання економії коксу при підвищенні температури дуття за рахунок зниження нерівномірності розподілу теплоносіїв по периметру насадки, рециркуляції продуктів спалення, регулювання температури під куполом зміною витрат природного газу та нового способу стабілізації температури дуття.
Проблемою зниження нерівномірності розподілу дуття по периметру насадки займались фахівці Укрдіпромезу і ВНДІМТ'у, які пропонували для цього збільшити кількість штуцерів подачі дуття та розміщувати в піднасадочному просторі металеві екрани. Однак ці заходи повністю не усунули ці нерівномірності і їх залишкове значення сягає 11%.
Проведені дослідження нерівномірності розподілу дуття на повітронагрівачах Придніпровського меткомбінату ім. Дзержинського за допомогою термопар, розташованих в піднасадочних плитах, а також на "холодній" моделі. Результати досліджень показали, що нерівномірність в період нагрівання має максимальне значення (12,7-14,1%) спочатку періоду, а потім вона знижується до 6,3%. У періоді дуття ця закономірність протилежна і в кінці цього періоду нерівномірність досягає 16,7%.
На відміну від інших досліджень, на моделі розглянуто вплив різноманітних способів подачі дуття на середню нерівномірність розподілу дуття і продуктів спалення по перетину насадки (рис. 4). Рекомендовано новий динамічний спосіб подачі дуття, який полягає в тому, що дуття подається спочатку через два штуцери по черзі, а потім через них подають дуття одночасно з однаковою тривалістю, яка дорівнює 0,33 періоду дуття (рис. 4а). Такий спосіб експериментально досліджено з допомогою термопар на повітронагрівачах меткомбінату "Криворіжсталь". Дослідження показали, що середня нерівномірність подачі дуття в насадці знизилась з 14,5 до 6,8%, що привело до підвищення температури дуття на 20°С і економії коксу 2,4 кг/т чавуну.
Виконано порівняльний аналіз параметрів експлуатації повітронагрівачів при регулюванні температури під куполом надлишковим повітрям і рециркулюючими продуктами спалення. По даним розрахунків побудована графічна залежність калориметричної температури від ступеня рециркуляції (r, %)
. (41)
Калориметричну температуру розраховували, використовуючи значення ентальпій продуктів спалення з урахуванням рециркуляції ()
, КДж/м3 (42)
Зміну витрат палива (Вр) визначали через теплову потужність повітронагрівачів
, м3/с (43)
Коефіцієнт використання палива (КВПр) розраховували по формулі
. (44)
При використанні рециркуляції зменшується вміст кисню в повітрі спалення (), який визначали слідуючим чином
, (45)
де: О2 - відсотковий вміст кисню в продуктах спалення.
Розрахунки показали, що при використанні рециркуляції продуктів спалення витрати палива зменшуються на 7,5%, витрати продуктів спалення, які проходять через насадку, збільшуються на 14%, що привело до зростання коефіцієнтів тепловіддачі конвекцією у насадці і, як наслідок, до збільшення температури дуття на 18°С. Крім того збільшується довжина факелу, що приводе до зменшення температур в нижній зоні камери спалення і зростання кампанії повітронагрівачів. При цьому також знижується вміст NOx у відхідних продуктах спалення.
Запропоновано новий спосіб нагрівання повітронагрівачів при спаленні їх природнодоменною сумішшю. При цьому рекомендовано природний і доменний газ подавати на кожний повітронагрівач окремо, а температуру під куполом регулювати не надлишковим повітрям, а зміненням витрат природного газу. Це приводить до зменшення витрат природного газу і його витрати замінюються еквівалентною кількістю доменного газу при постійних значеннях витрат повітря спалення. Відношення зміни витрат природного і доменного газів підтримується обернено пропорційно відношенню їх дійсних витрат повітря.
(46)
(47)
(48)
де: - витрати природного і доменного газів під час регулювання температури під куполом, м3/с;
і - фактичні витрати повітря, необхідні для спалювання природного і доменного газів, м3/с.
Розрахунки показали, що при цьому витрати доменного газу збільшуються на 38-40%, що дає змогу економити 30-35% природного газу і підвищити температуру дуття на 30-34°С за рахунок зростання коефіцієнтів тепловіддачі конвекцією у насадці.
На доменних печах № 2,3,5 метзаводу ім. Петровського впроваджено цю систему нагрівання повітронагрівачів, а на меткомбінаті ім. Ілліча виконано робоче проектування для умов доменної печі № 2.
Регенеративний спосіб нагрівання дуття в повітронагрівачах приводить до значної нерівномірності температури дуття. Температура дуття на виході повітронагрівача на початку періоду максимальна і на 20-30°С нижче від температури під куполом в період нагрівання. У кінці періоду дуття ця температура мінімальна і відрізняється від максимальної на 120-170°С. Температуру дуття, що подається в піч, стабілізують за рахунок розбавлення його холодним дуттям, що приводить до зниження теплової потужності повітронагрівачів і зменшення середньої температури дуття.
Проведені дослідження по визначенню впливу теплової роботи кладки тракту гарячого дуття на коливання температур дуття. Розрахунки показали, що глибина розповсюдження теплових хвиль в кладку тракта досягає 56 мм, а зниження температури дуття - 9-12°С. На доменних печах зрівнювали час початку відкриття дроселю змішувача і шиберу гарячого дуття. Помічено, що існує запізнення на 10-13% в терміні спрацювання дроселя змішувача. Таким чином тракт гарячого дуття стабілізує його температуру тільки на 10-13%.
Для стабілізації температури дуття розроблено конструкцію пристрою, в якому передбачена установка декількох (2-4) теплообмінних насадок. Розрахунки показали, що при різниці температур дуття за період 150°С (1275-1125°С) можливо підтримувати середню температуру дуття 1200±20°С при використанні насадки Ж 3 м і довжиною 5,6 м. При цьому середній приріст температури дуття досягає 65°С.
Для зменшення габаритів теплообмінних насадок розроблено нову конструкцію стабілізатора або теплового акумулятора, в якому використана плавка речовина (ефект фазового перехіду). При температурі дуття 1200°С рекомендовано використовувати речовину Fe2SiO4 з теплом фазового переходу 456 КДж/кг. При цьому габарити акумулятора значно менші (Ж 3 м і висота 1,5 м).
Перевага акумулятора у порівнянні із стабілізатором з теплообмінними насадками наступна:
- за рахунок використання тепла фазового переходу необхідна поверхня теплообміну значно менша, при цьому габарити акумулятора і втрати тиску дуття в ньому значно менші;
- використання теплового акумулятора дозволяє збільшити температуру дуття на 10°С в порівнянні з стабілізатором і на 75°С - при роботііз змішувачем.
В розділі 4 приведені результати досліджень нових енергозберігаючих технологій нагрівання дуття в доменних повітронагрівачах.
Питаннями енергозбереження в промисловості займались та внесли значний внесок: Ковалко М.П., Денисюк С.П., Розенгарт Ю.І., Губинський В.Й., Ольшанський В.М., Теверовський Б.З., Губинський М.В., Циганков Г.Т., Готліб А.Д., Некрасов З.І., Пліскановський С.Т., Товаровський І.Г, Бородулін О.В. та інші.
Виконана теплотехнічна оцінка різноманітних видів палива при спалюванні їх в доменних повітронагрівачах. Зростання теплоти згорання палива при збереженні теплової потужності повітронагрівачів приводить до зниження коефіцієнтів тепловіддачі від димових газів до насадки і, як слідство, до падіння температури дуття на 15-30°С. При збагаченні доменного газу природним або коксувальним газом і збереженні димової тяги витрати палива можливо збільшити на 20-40%, що приводить до зростання температури дуття на 20-25°С за рахунок збільшення швидкості продуктів спалення у насадці. При використанні доменного газу доцільно нагрівати газ, а не повітря спалення, так як при нагріванні повітря до 600°С КВП зростає з 0,662 до 0,835, а при нагріванні доменного газу до тієї ж температури - з 0,622 до 0,93. Для підтримки температури під куполом 1350°С необхідно підігрівати газ до 370-390°С, а повітря - до 550-570°С.
Крім цього доцільність нагрівання доменного газу зв'язана з його вологістю. В літературі звичайно приймають вологість доменного газу 30-35 г/м3. Але в сьогодення у зв'язку з використанням оборотного циклу у системі очистки доменного газу, дефіцитом води, незадовільною роботою градирень температура очищеного доменного газу збільшилась до 45-60°С, що привело до підвищення вологості газу (50-80 взимку і 80-150 г/м3сух влітку).
Присутність вологи в доменному газі приводить до зниження температур горіння на 7-10%, а капельна вологість, яка попадає в нижню частину камери спалення, сприяє її руйнуванню.
Розглянуто 7 варіантів і способів опалення повітронагрівачів тільки доменним газом (природний газ повністю вилучається) при температурах під куполом 1300 і 1400°С: використання технологічного кисню для збагачення повітря; нагрівання компонентів спалення до однакової температури; використання частки гарячого дуття для підвищення температури повітря; нагрівання доменного газу в теплообмінниках з проміжним теплоносієм; нагрівання повітря в рекуператорах та регенераторах; використання повітронагрівачів зупинених доменних печей для нагрівання повітря спалення. Варіанти використання природнодоменної суміші розглядали як базові для порівняння з розглянутими.
Вибір кращого варіанту здійснювали, використовуючи мінімум вартості нагріву 1000 м3 дуття або мінімум цільової функції (Зе): вартості суми річних експлуатаційних витрат Е на паливо та повітря, грн/рік; інвестицій І, грн/рік; та суми штрафів Зшт за шкідливі викиди в довкілля, грн/рік.
. (49)
Для варіанту застосування технологічного кисню при забезпеченні температури під куполом 1300°С необхідно ним збагачувати вентиляторне повітря до 25-27% О2. Так як при цьому зменшується вихід продуктів спалення, то для збереження незмінних параметрів теплообміну в насадці, необхідно збільшувати витрати доменного газу на 6-8%.
Більшість доменних печей обладнані підводом кисню до повітродувок, що значно знижує капітальні витрати на подачу кисню на повітронагрівачі. В останні роки значно зменшились витрати кисню на металургійній печі і існують запаси потужності кисневих блоків. Крім цього із-за нераціональних витрат кисню спостерігаються випадки викидів кисню в атмосферу.
Запропоновано централізовану і індивідуальну подачу кисню в пальники повітронагрівачів, а також як варіант, використання холодного дуття, збагаченого киснем.
Для забезпечення температури під куполом 1300°С (1400°С) необхідно нагрівати доменний газ і повітря до однакової температури tг = tп = 150-160°С (330-340°С). Так як середня температура продуктів спалення в борові складає 250-280°С, то в цьому разі можливо нагріти компоненти спалення тільки до 150-160°С. Для подальшого нагрівання необхідно спалювати додаткові витрати доменного газу.
, м3/с (50)
де: VПГ і - витрати продуктів спалення доменного газу в борові і в результаті спалення додаткової кількості газу, м3/с;
- температура продуктів спалення в борові, на вході в теплообмінник і при спаленні додаткової кількості доменного газу °С.
Для нагрівання компонентів спалення розроблена нова децентралізована система теплообмінників з проміжним теплоносієм (рис. 5), яка має наступні переваги в порівнянні з відомою централізованою системою (Японія, Голандія):
- більш економічне змінення температури нагрівання газу і повітря на кожен повітронагрівач з регулюванням витрат теплоносія відповідно температурі під куполом (якщо повітронагрівачі мають різноманітні характеристики);
- збільшується надійність системи, так як при виході із ладу одного із теплообмінників, решта лишаються в робочому стані;
- збільшується компактність системи.
Укрдіпромез виконав робоче проектування розроблених теплообмінників для умов ВАТ "Запоріжсталь".
Для забезпечення температури під куполом 1300°С можливо використання частки гарячого дуття для підвищення температури повітря спалення. Розрахунки показали, що для цього необхідно додатково нагрівати 13-15% дуття, що не завжди можливо. Додаткову кількість дуття розрахували по відношенню
, м3/с (51)
де: - витрати вентиляторного повітря, м3/с;
tсум - температура суміші повітря і дуття, °С.
Розроблено нову схему подачі частки гарячого дуття і систему регулювання його витрат для спалення доменного газу.
В повітронагрівачах значення параметрів теплообміну у нижній частині насадки мале і практично 30% її висоти використовується для охолодження продуктів спалення до температури стійкості піднасадочного пристрою.
Розроблена нова конструкція повітронагрівача, в якій в нижній частині насадки розташовано перехрестно-протитечійний рекуператор типу "термоблок" для нагрівання повітря до 300-320°С, що дозволяє повністю вивільнити природний газ (tкуп = 1300°С).
Температура під куполом 1400°С потребує нагрівання повітря спалення до 750°С. Розроблена нова конструкція повітронагрівачів з внутрішньою камерою спалення, в нижній частині якої розташовано автономний регенератор. Ця нижня частина камери раніш заповнювалась битою цеглою. Така конструкція повітронагрівачів є компактною і приводить до економії капітальних витрат. В регенераторах спалюють доменний газ і режим їх експлуатації незалежний від повітронагрівача.
Як випадок цього варіанту є використання повітронагрівачів зупинених доменних печей для нагрівання повітря спалення до 750°С. В нинішній час на підприємствах галузі зупинено близько 25% доменних печей і їх повітронагрівачі необхідно використовувати для нагрівання повітря, що дасть змогу повністю вивільнити природний газ.
Техніко-економічний аналіз розглянутих варіантів опалення повітронагрівачів показав, що для температури дуття 1150°С мінімальні значення цільової функції і вартості 1000 м3 нагрітого дуття має варіант нагрівання доменного газу в теплообмінниках з проміжним теплоносієм, а для температури дуття 1250°С - нагрівання повітря в повітронагрівачах зупинених доменних печей або використання автономних регенераторів, (табл. 3). Збільшення температури дуття з 1150 до 1250°С приводить до зростання вартості нагрівання 1000 м3 дуття на 15%.
В розділі 5 розглянуті проблеми збільшення терміну служби кладки доменних повітронагрівачів.
Статистична обробка данних 196 повітронагрівачів доменних печей галузі України показала, що середній термін служби насадки складає 10,8, а камери спалення - 7,8 років. Дослідження виявили, що основними причинами низької стійкості внутрішніх камер спалення являється: невідповідність фізико-механічних властивостей вогнетривів типу МКВ-72 умовам їх служби; нерівномірність стиснення по периметру камери спалення, особливо для камер, які мають еліпсовидну форму; вплив капельної вологості доменного газу.
Таблиця 3.
Техніко-економічні показники експлуатації повітронагрівачів з різноманітними способами їх опалення (варіанти 1-6 для температури дуття 1150°С;варіанти 1А, 3А, 7, 8 - для температури дуття 1250°С)
№ пп Варіанти Цільова функція, Зе Вартість 1000м3 нагрітого дуття, грн/1000м3 Інвестиції, млн грн. Окупність, роки
абсолютна, млн грн/рік відносна (по відношенню до варіантів) 1або/1А
1 Використання 9,53 1 12,91 0 -
природного газу.
1А Використання природного газу 12,37 1* 14,87 0 -
2 Використання тех 10,40 1,1 13,50 0,5 не
нологічного кисню ефек-тивно
3 Нагрівання доменного газу і повітря. 8,15 0,86 11,84 5,0 3,2
3А Нагрівання доменного газу і повітря. 10,50 0,85* 13,58 6,0 3,2
4 Використання частки гарячого дуття. 7,21 0,76 12,14 0,8 0,4
5 Нагрівання доменного газу. 6,79 0,71 11,02 0 -
6 Нагрівання повітря в рекуператорі. 7,18 0,75 11,29 0,8 0,4
7 Нагрівання повітря в регенераторах. 9,75 0,79* 13,06 4,0 1,5
8 Нагрівання повітря в повітронагрівачах зупинених доменних печей. 9,10 0,74* 12,6 1,5 0,5
Примітка: * - температура дуття 1250°С.
Розрахунки показали, що в районі штуцеру гарячого дуття навантаження на вогнетриви максимальне, а температура продуктів спалення практично дорівнює температурі під куполом. Для зниження цієї температури розроблено декілька нових способів удосконаленого (нестехіометричного) спалення палива в повітронагрівачах: на першій стадії газ спалюють з коефіцієнтом витрат палива n = 0,75-0,85, а на другій стадії його допалюють; на першій стадії n = 1,2-1,3, а на другій - спалюють додаткове паливо за рахунок кисню, який знаходиться в димових газах першої стадії; розміщення в стіні камери спалення металевої оболочки з отвірами в її верхній частині. Через цю оболочку пропускають частину вентиляторного повітря, яке там нагрівається і потім використовується як вторинне повітря спалення.
Розрахунки показали, що використання двостадійного способу спалення палива приводить до зниження температур в нижній зоні камери з 1350-1400 до 1050-1150°С, що значно підвищує стійкість кладки. Віконані дослідження нестехіометричного спалення газу на стенді пічного залу кафедри ТЕМП НМетАУ, які показали, що при n = 0,8 на першій стадії концентрація оксидів азоту (NОх) зменшилась з 378 мг/м3 (при стехіметричному способі спалення) до 249 мг/м3.
Режим сушіння і розігрівання повітронагрівачів істотно впливає на їх кампанію. Проведені експериментальні дослідження температурно-напруженого стану повітронагрівача при його сушінні, розігріванні та перших добах експлуатації. При цьому був використаний розроблений новий спосіб розігрівання, згідно з яким при досягненні температури під куполом 860-880°С повітронагрівач в три етапи наповнювали холодним дуттям через кожні 40-60°С з регламентованою витримкою.
Температуру по товщині кладки вимірювали з допомогою термопар, а рівень напруги у кожусі - тензометричним пристроєм, розробленим ДПІ "Дніпропроект-стальконструкція".
Експериментальні дані показали (рис. 6), що температура холодної сторони динаса на позначці 29,5 м почала збільшуватися лише після 10-ї доби (температура під куполом 450°С). Швидкості нагрівання динаса не перевищували допустимі і вони були декілька нижче чим в куполі. У період регламентованої подачі холодного дуття (14 доба) температури холодної сторони динаса і на стику динас-легковаговий-мати декілька знизились. Після закінчення розігрівання
