5.2.Излучение пламени и карбюризация факела

Пути интенсификации теплообмена излучением можно наметить, ана-

лизируя уравнение (4.30), применяемое для расчета плотности потока излучения от нагретых газов к твердым поверхностям.

Очевидно, что лучевоспринимающая поверхность не всегда может быть увеличена. Ее размеры определяются особенностями конструкции печи или поверхностью нагреваемого в печи материала. Поэтому эта величина для вполне конкретной конструкции не может быть изменена. Лишь в неко-торых случаях можно раздвинув заготовки, несколько ее увеличить.

Возможности воздействия на температуры твердых поверхностей (внутренней поверхности кладки, поверхности нагреваемого материала) также ограничены, так как они в первую очередь определяются технологией тепловой обработки и жестко связаны с требованиями по качеству нагрева или стойкости огнеупорной кладки.

Теплообмен излучением может быть интенсифицирован за счет повы-шения температуры газов. Так как плотность потока излучения зависит от в четвертой степени, то при подъеме температуры газов создается весьма мощный фактор активизации лучистого теплообмена. Повышать можно разными способами: использованием дутья, обогащенного кислородом; применением для горения подогретых дутья и газов; выбором оптимального коэффициента избытка воздуха. Как видим, способов повышения темпе-ратуры газов существует много. Но одни из них не могут быть применены по экономическим соображениям, например, в следствие дефицита техничес-кого кислорода, другие требуют усложнения конструкции печи и, в конечном итоге, приводят к повышению эксплуатационных расходов. Следует также отметить, что повышать температуру газов можно до известных пределов, определяемых технологией нагрева, типом применяемых огнеупоров и др.

Увеличить интенсивность теплообмена можно также за счет повы-шения приведенного коэффициента излучения. Он включает два параметра: степень черноты окружающих стенок и степень черноты газов. Первая равняется примерно 0,8 для огнеупорных изделий и окисленных черных металлов; ее практически нельзя изменить. При нагреве заготовок и изделий из цветных металлов удается нанесением на их поверхность специальных красок несколько повысить степень черноты этих металлов, но это сущест-венно усложняет технологию нагрева. Степень черноты газов – функция парциального давления газов, эффективной длины луча и температуры газов. Парциальное давление газов зависит от состава топлива, условий его сжигания, состояния кладки и условий эксплуатации печи. За счет улуч-шения условий сжигания топлива, установления оптимального коэф-фициента избытка воздуха, введения подогрева дутья, применения кис-лорода в дутье можно повысить парциальное давление излучающих газов. Но это повышение имеет предел, так что значительного увеличения степени черноты газов добиться нельзя. Невозможно увеличить эффективную длину лучей в работающих печах, так как это должно сопровождаться изменением размеров рабочего пространства. Кроме того, увеличение размеров печи приведет к росту тепловых потерь от внешних поверхностей кладки и тем самым к ухудшению показателей работы печей.

Степень черноты продуктов сгорания доменного, коксового, природ-ных газов и коксодоменных смесей относительно невелика (при обычных условиях сжигания 0,10-0,25). Для повышения степени черноты продуктов сгорания промышленных газов осуществляют карбюризацию: в печи одно-временно с топливом, бедным углеводородами, сжигают в небольшом коли-честве и топливо, богатое углеводородами, например, мазут или смолу. В зависимости от конкретных условий добавки последних по теплоте сос-тавляют 3-5% от общего количества химической энергии топлива. Сжигание мазута или смолы сопровождается пиролизом (разложением) углево-дородов, при котором выделяется большое количество мельчайших частичек сажис-того углерода диаметром 0,5-3,0 мкм (их число в 1 см³ может достигать нескольких миллионов). Движущиеся в газовом потоке частицы очень быстро прогреваются до температуры, близкой к температуре потока, и за-тем сгорают. Естественно, что нагретые частицы сами начинают излучать тепловую энергию. Так как спектры твердых тел сплошные, а не полос-чатые, как у газов, то степень черноты газового потока, содержащего большое количество сажистых частичек, существенно (в 3-4 раза) воз-растает.

Для карбюризации можно использовать и природный газ, создав условия его нагрева при низкой концентрации кислорода до температур равных 500^оС или больших. При таком нагреве часть природного газа – метана, разлагается с образованием сажистого углерода и водорода по реакции СН₄=С+2Н₂. При изменении условий разложения (реформирования) метана- температуры, состава газовой фазы, времени и других факторов, меняются не только размеры, но и концентрация сажистых частичек.

Наибольшей излучательной способностью сажистые частицы обладают в видимой и ближней инфракрасной частях спектра. Она зависит от толщины газового слоя , от концентрации сажистых частичек . По данным Кривандина степень черноты пламени, равная 0,95, достигается при следу-ющих значениях и :

, м………………..0,3 0,5 0,7 1,0

, г/м³……………...2,7 1,6 1.1 0,8

Если > 1 г/м², то степень черноты газового потока, насыщенного сажистым углеродом, определяется из выражения:

= . (5.12)

Исследованиями Лисиенко установлено, что для факелов мартеновских печей предельно целесообразная величина составляет 2 г/м². При больших значениях этой величины ухудшаются показатели эффективности использования топлива.