Утилизация тепла в металлургических печах

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют высокую температуру и поэтому уносят с собой значительное количество тепла. Например, в мартеновских печах из рабочего пространства с дымовыми газами уносится около 80% всего тепла, поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах 60%. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше температура дымовых газов и чем ниже коэффициент использования тепла в печи. Поэтому целесообразно обеспечивать утилизацию тепла отходящих дымовых газов, которая может быть выполнена принципиально двумя методами: с возвратом части тепла, отобранного у дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь. Для осуществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма, передать идущим в печь газу или воздуху. Для этого широко используются теплообменники рекуперативного и регенеративного типа, применение которых позволяет повысить к.п.д. печного агрегата, увеличить температуру горения и сэкономить топливо.

Следует отметить, что единица тепла, отобранная у дыма и вносимая в печь воздухом или газом оказывается ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива т.к. не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами. Утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива.

Кроме экономии топлива, применение подогрева воздуха сопровождается увеличением калориметрической температуры горения.

Утилизация тепла отходящих дымовых газов с возвратом в печь можно осуществить в теплообменных устройствах регенеративного и рекуперативного типов. Регенеративные теплообменники работают при нестационарном тепловом состоянии, рекуперативные при стационарном.

1. Регенеративные теплообменники

Регенератор обычно применяемый в металлургических печах представляет собой камеру заполненную кирпичной многорядной решеткой (насадкой) выложенной из огнеупорных кирпичей. Сначала через регенератор пропускают дым, а затем в обратном направлении воздух или газообразное топливо. В этот период регенеративная насадка отдает воздуху (газу) ранее аккумулированное тепло. Существует оптимальное в теплотехническом отношении время между перекидкой клапанов, т.е. между следующими друг за другом изменениями поступления газообразных сред. Для мартеновских и нагревательных печей = , причем и в том и в другом случае продолжительность периодов составляет 5 - 10 мин. и определяется особенностями работы регенеративной насадки в целом и каждого кирпича в отдельности

В начале дымового периода температура насадки относительно мала и перепад температур между дымовыми газами и кирпичами насадки значительный. Постепенно насадка нагревается, перепад температур уменьшается и наступает такой момент, когда необходима перекидка клапанов. К этому времени насадка настолько нагревается, что температура ее может находиться на грани огнеупорности кирпича. Изменение температуры подогрева воздуха (газа) вызвано постепенным охлаждением насадки в течение воздушного (газового) периода.

Наиболее высокая температура подогрева воздуха наблюдается в начале воздушного периода, когда температура насадки максимальна.

Требования теплового режима печи к работе регенераторов обусловлены тем, что понижение температуры подогрева воздуха или газа приводит к снижению температуры горения и неблагоприятно влияет на температуру в печи. Поэтому, когда необходимо поддержать температуру в печи достаточно высокой, следует часто делать перекидку клапанов. Изменение температуры кирпича в течение дымового и воздушного периодов показано на рис.1, из которого видно, что в течение дымового периода температура поверхности кирпича становится ниже температуры его центра. При этом наблюдается отток тепла от середины к поверхности кирпича. В начале дымового периода процесс передачи тепла от центра к поверхности также имеет место до тех пор, пока температура поверхности не превзойдет температуры его центра.

Рис.1. Изменение температуры кирпича в течение дымового и воздушного периодов

Количество тепла + , которое кирпич аккумулирует в дымовой период, равно количеству тепла - , которое кирпич отдает воздуху в воздушный период. Внутренние слои кирпича претерпевают значительно меньшие температурные колебания, чем наружные. Поэтому масса кирпича, с точки зрения его теплоаккумулирующей и теплоотдающей способности, работает неодинаково.

К насадке предъявляют следующие требования, определяющие ее экономичность и эксплуатационные качества:

а) высокий общий коэффициент теплопередачи;

б) минимальное аэродинамическое сопротивление;

в) максимальная удельная поверхность нагрева;

г) минимальная опасность засорения;

д) необходимая строительная устойчивость.

Материал, из которого выполняют насадку, должен характеризоваться соответствующей огнеупорностью, термостойкостью и обладать определенным сопротивлением деформации под нагрузкой при повышенных температурах. В мартеновских печах крайне важное значение имеет способность кирпича насадки выдерживать воздействие железистых шлаков.

Ячейкой регенеративной насадки называется сечение, свободное для прохода газов и заключенное между четырьмя кирпичами регенератора. Размер ячейки определяется видом и назначением насадки. Наибольшее распространение получили насадки, представленные на рис.2.

Рис.2. Насадки регенераторов ( а – насадка Каупера; б – насадка Сименса; в, г – блочные насадки для доменных воздухонагревателей.

Их сравнительные характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики насадок регенераторов

Показатели	Тип насадки
	Каупера (рис.2, а)	Сименса (рис.2, б)	Блочная для доменных воздухоподогревателей
			Рис.2, в	Рис.2, г
Удельная поверхность нагрева, м2/м3	13.5	13,5	38,1	36,8
Объем кирпича насадки, м3/м3	0,54	0,31	0,7	0,58
Живое сечение насадки, М2/м2	0,48	0,42	0,29	0,386