5.4. Воздухонагреватели. Конструкции и принцип работы

Нагрев воздуха, подаваемого в печь для сжигания углерода кокса и топливных добавок, осуществляют в специальных аппаратах - воздухонаг­ревателях регенеративного типа, т.е. в аппаратах с поочередным нагревом насадки и дутья. Регенеративные воздухонагреватели обеспечивают нагрев дутья до 1150-1250 °С.

В оздухонагреватель (рис. 5.17) представляет собой вертикально рас­положенный куполообразный цилиндр высотой до 50 м и диаметром 9-10 м. Снаружи воздухонагреватель заключен в стальной кожух, который изнутри футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом для предотвраще­ния местного перегрева, образования трещин и деформаций кожуха, а также для уменьшения тепловых потерь в атмосферу. Внутреннее пространство воз­духонагревателя разделено не доходящей до верха вертикальной стеной 1 из огнеупорного кирпича на две части: камеру сгорания 2 и огнеупорную насад­ку 3 с вертикальными каналами, которые вверху соединяются с камерой сго­рания подкупольным пространством 4, а внизу - с поднасадочным пространством 5. Поднасадочное пространство в зависимости от режима работы воздухонагревателя соединяется через дымовые клапаны с боровом и далее с дымовой трубой, либо через шибер холодного дутья с воздухопроводом холодного дутья. Кожух 6 воздухонагревателя выполнен сварным из листовой низколегированной стали марок 09Г2С или 10Г2С толщиной 25-30 мм и полностью герметизирован. Внутренняя поверхность сварного кожуха теплоизолируется огнеупорным материалом, который не только защищает кожух от перегрева, но и снижает вероятность межкристаллитпой коррозии металла. Снизу к кожуху приварено днище 7, закрепленное по периферии фундаментными болтами. К кожуху снаружи приварены штуцеры 5-77 с фланцами 12 для присоединения к воздухонагревателю площадок и другого оборудования. Для осмотра и ремонта воздухонагревателя в кожухе предусмотрены люки 13 и лазы 14.

М ежду огнеупорной футеровкой (стенами) и кожухом уложен тепло­изоляционный кирпич толщиной 65-120 мм или каолиновые маты. Компен­сационный зазор 60-70 мм между теплоизоляционным и огнеупорным кир­пичом заполняется крошкой из теплоизоляционного кирпича. По периметру стены воздухонагревателя толщиной 460 мм в нижней части выложены ша­мотным кирпичом класса Б, в средней части - из кирпича класса А и в са­мой верхней части — из высокоглиноземистого или динасового кирпича. Купол выложен в виде шарового ряда толщиной 450 мм из высокоглинозе­мистого или динасового кирпича и слоя теплоизоляции. Между кожухом купола и кладкой оставлен зазор 300-500 мм для компенсации температур­ного роста кладки.

В камере горения 2 происходит смешивание газа и воздуха и сгорание топливо-воздушной смеси. Камера в горизонтальном сечении имеет круглую, эллиптическую или комбинированную форму. Ее площадь составляет 15-20% от общей площади внутреннего сечения воздухонагревателя. Стены камеры сгорания выполнены в два слоя без перевязки. Внутренний слой толщиной 345 мм выполнен из высокоглиноземистого кирпича, а наружный, прилега­ющий к футеровке кожуха, толщиной 230 мм - из шамотного кирпича. Насадка 3 воздухонагревателя аккумулирует тепло продуктов сгора­ния в режиме «нагрева» воздухонагревателя и передает его холодному воз­духу в режиме «нагрева дутья». Она занимает большую часть объема возду­хонагревателя и выполнена из огнеупорного кирпича так, что образуются вертикальные каналы либо постоянного сечения (одноярусная насадка), либо переменного сечения (двух- и трехъярусные насадки). Различные типы наса­док приведены на рис. 5.18. В основном применяют одноярусную насадку с каналами 45x45 мм и толщиной стенки между каналами 40 мм. Основную часть насадки выкладывают из шамотного кирпича, а вверху (30-40 рядов) из высокоглиноземистого или динасового кирпича. В последнее время для кладки насадки применяют блочный кирпич с круглыми каналами диаметром 40 мм и горизонтальными проходами для сообщения смежных ячеек, кото­рый имеет большую поверхность нагрева по сравнению с насадкой 45x45 мм

Внизу воздухонагревателя насадка опирается на массивную чугунную решетку 15, опирающуюся на чугунные колонны 16, которые установлены на днище (крепятся с помощью болтовых соединений) Поднасадочное ус­тройство (рис. 5.19) состоит из шестигранной или квадратной решетки 1 с квад­ратными отверстиями, опирающейся на колонны 2 и балки 3. Размеры ячеек (отверстий) решетки, как правило, соответствуют размерам каналов нижне­го яруса насадки

Решетка, балки и колонны изготавливаются (отливаются) из жаро­прочного чугуна Ж4Х-09 при температуре отходящих газов до 400 °С и Ж4Х-30 при температуре более 550 °С. При температуре дымовых газов более 500 °С применяются водоохладжаемые колонны.

Воздухонагреватели доменной печи сооружают на общем фундаменте в блоке по четыре воздухонагревателя на каждую печь Дымовая труба высотой 60-75 м, сооружаемая из кирпича, располагается у воздухонагревателей. Дымовой боров, соединяющий поднасадочное устройство с дымовой трубой, футеруют низкосортным огнеупорным кирпичом. Боров обычно располагают паралл ельно фундаменту.

На одном уровне с рабочей площадкой доменной печи у воздухонагре­вателей сооружают площадку, предназначенную для размещения оборудова­ния (горелки, вентилятора и др.) и обслуживания воздухонагревателей. Для подъема и монтажа оборудования вдоль площадки монтируется кран-балка или монорельс с тельфером

Основные размеры воздухонагревателей определяют путем тепло­технического и гидравлического расчетов, исходя из требуемой температуры нагрева дутья и его количества. Кроме того, производят расчет воздухо­нагревателя на прочность, исходя из заданного давления дутья и с учетом циклических температурных воздействий. Теплотехническим расчетом определяют массу и поверхность нагрева насадки, а также количество газа и воздуха, необходимого для его сжигания.

Гидравлическим расчетом определяют требуемый напор вентиляторов, сечение камеры горения, борова, дымовых каналов, общее сечение каналов насадки, сечение и высоту дымовой трубы.

Тепловой баланс проектируемых воздухонагревателей составляют на основании данных теплотехнического расчета, а в основе теплового баланса работающих воздухонагревателей лежат экспериментальные замеры и данные о расходе газа и воздуха.

Воздухонагреватель работает циклично. Цикл работы начинается с на­грева насадки. Для этого в камеру сгорания 2 (см. рис. 5.17) через отверстие 8 принудительно подают газо-воздушную смесь, которая, соприкасаясь с раскаленными стенами в нижней части камеры сгорания, воспламеняется и полностью сгорает в шахте камеры сгорания. Максимальная температура продуктов сгорания (1450-1550 °С) достигается в подкупольном простран­стве 4, где продукты горения, изменив направление движения на 180°, дви­жутся сверху вниз (за счет давления, создаваемого горелкой и разрежения дымовой трубы) через вертикальные каналы огнеупорной насадки 3, пере­давая ей свое тепло. Из вертикальных каналов насадки газы поступают в поднасадочное пространство 5 охлажденными до 250-450 °С и через два отверстия 10 дымовых клапанов поступают в дымовой боров и дымовую трубу.

Передача тепла нагретых газов огнеупорной насадке происходит в основ­ном конвекцией и лишь частично излучением. Поэтому, чем выше скорость движения газов, чем больше суммарная площадь поверхности их соприкос­новения с насадкой и чем больше разность температур газов и насадки, тем интенсивней протекает передача тепла.

После окончания нагрева насадки (достижения заданной температуры купола) воздухонагреватель переводят в режим «нагрев дутья». Для этого специальными клапанами закрывают отверстия 8 и 10, отсекая воздухо­нагреватель от горелки и дымового борова, и через отверстие 9 соединяют поднасадочное пространство с воздухопроводом холодного дутья, а камеру горения через отверстие 11 - с воздухопроводом горячего дутья. Холодный воздух от воздуходувной машины подается в поднасадочное пространство, где начинает свое движение снизу вверх через каналы нагретой насадки, от­бирая тепло. Из вертикальных каналов насадки нагретый воздух выходит в подкупольное пространство, где изменяет направление движения на 180° и через камеру сгорания и штуцер 11 поступает в воздухопровод горячего дутья, который соединен с кольцевым воздухопроводом доменной печи. Ра­боту воздухонагревателя в период нагрева насадки принято называть газо­вым режимом воздухонагревателя, а работу в период нагрева дутья - воз­душным режимом воздухонагревателя.

Температура нагрева дутья зависит от размера поверхности насадки и степени ее нагрева. Нагрев насадки определяется допустимой температурой футеровки купола воздухонагревателя и температурой отходящих продуктов сгорания внизу насадки. В высокотемпературном воздухонагревателе (рис. 5.20) температура нагрева купола достигает 1550 °С, а температура отходящих про­дуктов сгорания 450 °С благодаря тому, что высокотемпературные зоны воз­духонагревателя (купол 4, верхние ряды стен 6 и насадки 7 и внутренний ряд кладки камеры сгорания 2) выложены из высокообожженного динаса - ог-неупора, более стойкого к нагрузкам при высоких температурах, чем высоко­глиноземистые огнеупоры.

Н а современных доменных печах устанавливают 4 воздухонагревате­ля, имеющие суммарную поверхность нагрева из расчета 63 м2 на 1 м3 полез­ного объема доменной печи. Так, на доменных печах объемом 2002 и 2700 м3 поверхность на­грева насадки одного воздухонагревателя состав­ляет 31600 и 42500 м2, а суммарная поверхность четырех воздухонагревателей 126400 и 170000 м2 соответственно.

На доменной печи полезным объемом 5000 м3 для нагрева дутья до температуры выше 1200 °С сооружены четыре воздухонагревателя с выносными камерами горения (рис. 5.21), что по­зволило увеличить поверхность насадки одного воздухонагревателя до 87500 м2, доведя суммар­ную поверхность нагрева из расчета 70 м2 на 1 м3 полезного объема. Распределение огнеупоров в этом воздухонагревателе по зонам аналогично высокотемпературному воздухонагревателю со встроенной камерой горения при тех же разме­рах кожуха и при увеличении прочности его фу­теровки.

Существующие воздухонагреватели с внут­ренней камерой горения, появившиеся в середи­не XIX века, конструктивно мало чем изменились

до настоящего времени. Этой кон­струкции воздухонагревателей при­сущ ряд существенных недостатков, которые проявляются по мере воз­растания единичной мощности до­менных печей и увеличения темпе­ратуры горячего дутья, зачастую приводя к серьезным неполадкам и авариям. Эти недостатки состоят в следующем:

различие температур кладки камеры горения со стороны насадки и со стороны кожуха вызывает разрушение и наклон стен камеры горения в сторону насадки, что сопровождается повреждением и камеры горения и насадки;

под действием высоких температур и давления в нижней части камеры горения вследствие размягчения и ползучести огнеупоров происходит деформирование и обрушивание кладки камеры горения, арок и штуцера горячего дутья и горелки;

неравномерное распределение продуктов сгорания по сечению насадки приводит к разрушению стен и значительному перетоку газов и дутья между камерой сгорания и пространством насадки;

п ульсирующее горение вызывает сильные вибрации оборудования и разрушения огнеупорной кладки, а резкие колебания температур во время смены газового и дутьевого периодов — разрушение (скалывание) ог­неупоров.

Некоторые из этих недостатков были устранены с применением кера­мических горелок и сооружением воздухонагревателей с выносной камерой горения, однако концепция двухкамерного воздухонагревателя не решает проблему высокотемпературного нагрева дутья ни по конструктивным, ни

по теплотехническим, ни по экологическим требованиям.

Основные недостатки существующих воздухонагревателей, порожда­ющие серьезные неполадки и аварии, могут быть устранены лишь с устране­нием самой камеры горения, тем более что для полного сжигания газа дос­таточно лишь 25% высоты камеры горения. Остальные 75% высоты камеры горения используются лишь для транспортировки продуктов сгорания под купол, так как по законам теплотехники греющий газ должен проходить че­рез насадку сверху вниз.

Решение проблемы воздухонагревателей без камеры горения в настоя­щее время нашло свое отражение в конструкции бесшахтного воздухонагре­вателя, успешно эксплуатируемого на нескольких металлургических заво­дах. Суть идеи в том, что сжигание газа осуществляется непосредственно под куполом или в прилегающей к нему небольшой форкамере. В основании динасового купола этого воздухонагревателя расположена короткая (1000 мм) коль­цевая форкамера, в нижней части которой установлено несколько десятков керамических горелок. Кольцевые коллекторы газа и воздуха расположены внутри кожуха. Исследованиями подтверждено, что практически полное сго­рание газа достигается уже на выходе из форкамеры. Пульсирующее горение не возникает ни на каких режимах. Неравномерность распределения продук­тов горения по насадке в три раза меньше, чем в воздухонагревателях с ка­мерой горения, и составляет не более ±5%. В этом воздухонагревателе оста­ется только влияние термической стойкости огнеупоров, так как регенератив­ные теплообменники работают циклично, т. е. со сменой газового и дутьевого режимов. Воздухонагреватель этой конструкции успешно эксплуатируется в доменном цехе Нижнетагильского металлургического комбината с 1982 г.

Дальнейшим этапом развития бесшахтных воздухонагревателей стал аппарат конструкции Калугина с форкамерой на верху купола (рис. 5.22).3

В этом аппарате кладка форкамеры имеет независимую опору на ко­жух воздухонагревателя. Струйно-вихревая подача газа и воздуха в форка-меру обеспечивает равномерность сжигания газа без предварительной на­стройки горелки перед пуском в эксплуатацию. Струйно-вихревая горелка форкамерного типа обеспечивает интенсивное и полное сжигание газа до выхода продуктов сгорания в насадку. Концентрация СО в дыме составляет около 20 мг/м3 (при содержании кислорода в дыме 0,3-0,51%), что в пять раз меньше европейских норм (рис. 5.23).

Эта горелка по условиям сжигания газа значительно эффективнее ще­левой керамической горелки фирмы DME (Германия), что позволяет повы­сить температуру нагрева дутья на 25-30 °С при одинаковой теплоте сгора­ния газа (за счет меньшего коэффициента расхода воздуха на сжигание газа).

Для бесшахтных воздухонагревателей разработана насадка с диамет­ром каналов 30 мм, поверхность нагрева которой в 1,5 раза больше, чем в применявшейся ранее, что дает возможность уменьшить габариты насадки при неизменной тепловой мощности.

Устранение камеры горения и применение насадки новой конструкции позволило на 40-50% уменьшить высоту насадки при прежних поперечных размерах воздухонагревателя. Это сделало воздухонагреватель малогабарит­ным (рис. 5.24); а по капитальным затратам вместо одного обычного аппара­та могут быть сооружены два бесшахтных, естественно, с удвоенной тепло­вой мощностью.

По данным Я.П. Калугина в настоящее время (2004 г.) на металлурги­ческих заводах эксплуатируется уже несколько (5-7 шт.) бесшахтных возду­хонагревателей описанной конструкции. Планируется сооружение таких воздухонагревателей еще на ряде предприятий, в том числе и на Запорожском металлургическом комбинате.

На Косогорском металлургическом заводе (Россия) опробована новая конструкция высокотемпературного воздухонагревателя (ВТВН), насадка которого была выполнена в виде шарообразной емкости диаметром 7-8 м, н аполненной муллитокорундовыми шарами (рис. 5.25).4 При использова­нии шаров диаметром 20-25 мм общая поверхность теплообмена такой насад­ки составляет 140-180 м2/м3 против 32,7 м2/м3 для блочной насадки анало­гичного объема, что позволяет снизить ее высоту до 26-30 м у воздухонагре­вателей обычной конструкции и до 5,5 м у воздухонагревателей нового поко­ления. При этом общая высота воздухонагревателя может быть снижена с 30-35 до 15 м, масса кожуха - с 225 до 150 т, масса огнеупоров - с 1250 до 875 т, в том числе масса огнеупоров насадки - с 470 до 326 т.

В качестве топлива для нагрева насадки, наполненной шарами, исполь­зуется только природный газ (использование доменного газа не допускает­ся, так как содержащиеся в нем частицы пыли и большое количество влаги, могут привести к «закупорке» насадки). Насадка позволяет увеличить мак­симальную температуру нагрева дутья с 1250 до 1400-1500 °С.

Уменьшения высоты насадки можно также достичь, увеличив до 5-6 ати (500-600 кПа) давление газа на ее обогрев, но это требует разработки новых конструкций шиберов, клапанов, компримирующих и других устройств, чю пока экономически нецелесообразно.