книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

Схемы регенеративных воздухоподогревателей с зернистой подвижной насадкой, предлагаемые для высокотемпературного нагрева воздуха

Регенеративные теплообменники непрерывного действия с сы­ пучей насадкой можно классифицировать следующим образом: 1) дробепоточные с движущейся сверху вниз плотным слоем зерни­ стой насадкой; 2) с насадкой в виде «кипящего» слоя; 3) с падающей насадкой—со свободным падением и с тормозящими полками.

Ниже приведены характерные схемы конструкций.

В дробепоточном регенератив­ ном теплообменнике, изображен-

Ухадящие

газы

Горячие.

газы

Горячий.

воздух

(в верхней части теплообменника—греющими газами, а в нижней части—воздухом). Таким образом, в верхней части дробь нагрева­ ется, а в нижней части она отдает тепло воздуху. Внизу имеется подпорный клапан, регулирующий расход твердого теплоносителя. Дробь в нижней части теплообменника подается наверх ковшовым элеватором. Е. И. Кашуниным разработан дробепоточный воздухо-

110

Газы

Воздух

тештсителя

гревателя за печами в нем может быть осуществлен подогрев воз­ духа до 600—800° С.

На рис. 39 показан разработанный автором книги двухходовой дробепоточный воздухоподогреватель со схемой поперечного проти­

вотока. Коэффициент регенерации такого теплообменника значи­ тельно выше, но для установки требуется большая высота.

111

На рис. 40 показан полочный дробепоточный теплообменник. Отработанная дробь транспортируется по трубе 2 наверх в бункер 3, где после сепарации поступает в газовую часть теплообменника А и, пересыпаясь с полки на полку, нагревается теплом газов, прохо­ дящих через сетчатые полки и слои дроби. Из газовой камеры дробь перепускается в воздушную часть Б, где отдает тепло возДуху.

На рис. 41 показан воздухоподогреватель с промежуточным сыпу­ чим и кусковым материалом, рассчитанный на высокий подогрев воздуха (до 1000° С и более). Слой промежуточного теплоносителя продувается вверху горячими газами, а внизу нагревающимся воз­ духом, движущимися в поперечном направлении. Большое расстоя­ ние между потоками исключает переток воздуха и газов. Опытные теплообменники такого типа успешно испытаны в СССР [16, 61].

Регенеративный воздухоподогреватель с падающей насадкой пока­ зан на рис. 42. Сыпучая насадка равномерно распределяется по сече­ нию шихты и свободно падает вниз навстречу греющим газам, дви­ жущимся противоточно со скоростью, меньшей скорости витания частиц (выноса частиц из шихты не должно быть). Нагретая насадка переходит по трубе вниз в воздушную камеру, где опять распреде­ ляется равномерно по сечению и, падая навстречу воздуху, нагревает его. Насадка после падения собирается в низ воздушной камеры и вновь возвращается в газовую камеру ковшовым элеватором или пневматически. Описываемый воздухоподогреватель работает по схе­

К материалу насадки предъявляют следующие требования: высо­ кая теплоемкость и теплопроводность, высокая механическая и тер­ мическая прочность, возможно меньшая плотность, небольшая стои­ мость изготовления. В качестве насадки для высокотемпературных теплообменников можно использовать кварцевый сеяный песок, кера­ мические (шамотные и др.)-, базальтовые и другие материлы. При средних и невысоких температурах нагрева целесообразно применять чугунную и стальную дробь, а также алюминиевые (дюралевые) калиброванные частицы. Важно определить максимальную темпера­ туру насадки для оценки ее жаростойкости и термической прочности, а также минимальную температуру для оценки точки росы (для металлической насадки) и возможной коррозии материала.

112

Промежуточное положение между плотным (неподвижным) слоем и взвешенным занимают воздухоподогреватели с кипящим слоем (псевдоожиженным) слоем, принцип действия которых показан на рис. 43, где изображен четырехступенчатый воздухоподогрева­ тель [2.17], имеющий большие пределы производительности. Ско­ рость потока, соответствующая переходу слоя в псевдоожиженное

д л я р е г у л и р о в а н и я ; / / — л а з ; 12 — к о р п у с

состояние, зависит от плотности, размера и формы зерен, а также от вязкости и плотности газа. По своим свойствам кипящий слой напо­ минает маловязкую жидкость и при первом приближении он под­ чиняется законам гидродинамики.

ных воздухоподогревателей как вращающихся, так и с сыпучей насадкой. Преимущества описанных выше регенеративных воз­ духоподогревателей заключаются, во-первых, в интенсивной тепло­

духа является очень важным преимуществом, из-за которого прово­ дят в настоящее время исследования (высокотемпературный нагрев воздуха в рекуперативных теплообменниках из легированных сталей, как известно, связан с затратами дорогостоящих металлов и трудной эксплуатацией). Затраты энергии на преодоление сопротивлений газовых и воздушных потоков невелики в теплообменниках с падаю­ щим слоем, но являются значительным в теплообменниках с кипящим слоем, а также в дробепоточных. Однако описанные выше воздухо­ подогреватели имеют и серьезные еще не преодоленные недостатки: высокий абразивный износ камер и трубопроводов (до 0,26 мм и более в год); запыление воздуха при истирании насадки; необходимость подачи горячей сыпучей насадки снизу наверх при помоши механи­ ческого транспорта (ковшовыми элеваторами) или пневматически.

Загрязнение поверхности нагрева является общим недостатком всех воздухоподогревателей и очистка их является обязательным условием. Удобство чистки определяется доступностью к поверх­ ностям нагрева, а способ очистки зависит от характера и величины загрязнений (т. е. от топлива и методов его сжигания). Так, очистка от отложений при мазутном отоплении может быть очень облегчена при прокалке загрязнений при кратковременном выключении воз­ духа, так как жирные налеты становятся сыпучими. При прочих равных условиях движение зернистой насадки способствует ее очи­ стке нечувствительность ее^к загрязнениям меньше.

Энергетическая модернизация шахтных печей путем установки автономных регенеративных воздухонагревателей

Известна большая роль доменных печей в черной металлургии. Доменная печь, работающая на каменноугольном коксе, является самой крупной шахтной печью. Размеры доменной печи с полезным объемом 2700 м 3 велики: диаметр горна составляет 11,0 м, распара 12,3 м, колошника 8,1 м и полная высота 34,0 м. У печи имеется четыре регенеративных воздухоподогревателя типа Каупера, рассчи­ танные на нагрев воздуха до 1200° С. Диаметр каждого каупера

114

П р о д о л ж е н и е т а б л . 8

* Ч и с л и т е л ь — г о р я ч а я сторона, з н а м е н а т е л ь — х о л о д н а я .

составляет 9,5 м и высота 50,0 м. Нагрев насадки устанавливается смесью доменного и природного газов. Температура нагрева воздуха все время растет. В недалеком прошлом воздух перед доменными печами нагревали до 800—950° С. Теперь ни у кого нет сомнений, что высокотемпературный нагрев воздуха является важнейшим меро­ приятием по интенсификации хода печи и экономии кокса и поэтому дутье нагревают до 1200 ч- 1400° С и более. Это резко повышает температуру горения кокса в горне, увеличивает интенсивность плавки в доменных печах и позволяет снизить удельный расход кокса. На нагрев дутья ранее в кауперах расходовали 16—20% доменного газа, теперь для нагрева дутья до температуры 1000° С требуется затратить 30—40% всего вырабатываемого газа, а при более высоком нагреве необходимо подогревать компоненты горения (воздух и доменный газ) до 300—500° С. Для обеспечения высокого нагрева дутья кауперы отапливают смесью коксового и доменного газов с теплотой сгорания 1000—1100 ккал/м3 или смесью доменного и природного газов.

Еще одним мероприятием, улучшающим работу доменных печей, является повышение давления под колошником с 0,1—0,15 кГ/см2 до 2,5—3,5 кГ/см2 и более.

При повышенном давлении газы лучше распределяются по сече­ нию, в результате увеличения концентраций реагирующих веществ интенсифицируется тепло- и массобмен в рабочем пространстве печи и весь ход печи (усиливаются косвенные восстановительные реак­ ции), снижается температура на колошнике.

При повышении давления увеличивается содержание двуокиси углерода в доменном газе и уменьшается его теплота сгорания. В настоящее время в СССР чугун выплавляют в печах с повышенным давлением. Избыточное давление доменного газа используют в спе­ циальных расширительных газовых турбинах, в которых рабочим телом является доменный газ. При помощи таких газовых турбин можно осуществлять привод электрогенераторов и воздуходувок.

Энергия, производимая турбинами-расширителями, значительно больше энергии, затрачиваемой на добавочное сжатие воздуха, обеспечивающего работу доменной печи с повышенным давлением. Это объясняется тем, что выход доменного газа больше расхода дутья, а также термодинамическими его особенностями.

Для улучшения работы доменных печей применяют увлажнение дутья и обогащение его кислородом, а также используют железоруд­ ные окатыши и офлюсованный агломерат. Искусственное увлажнение дутья устраняет вредное влияние колебаний естественной влажности, усиливает разложение водяного пара по реакции

С + Н 2 О ^ С О + Н 2

и увеличивает восстановительную способность газов вследствие обогащения их водородом. Увлажнение дутья особенно эффективно в сочетании с увеличением температуры горения кокса в результате подогрева дутья и обогащения дутья кислородом. При нагреве дутья до 1200° С влагосодержание воздуха можно довести до 50—60 т/и3

117

вместо обычных 5—10 г/м3 при естественной влажности. Увеличение же влагосодержания на каждые 10 г/м3 повышает интенсивность плавки на 3—3,5% и снижает удельный расход кокса на 1,4%. При вдувании природного газа в слой горящего кокса необходимость увлажнения дутья отпадает, что видно из реакции горения метана

вается теплота сгорания газа. При увеличении содержания кисло­ рода с 21% (содержание кислорода в атмосферном воздухе) до 25% производительность печи увеличивается на 14%. Однако при даль­ нейшем обогащении дутья кислородом—сверх 25%—во избежание расстройства хода печи необходимо применять хорошо подготовлен­ ное железорудное сырье (окатыши, офлюсованный агломерат).

Эффективным мероприятием по улучшению работы доменной печи является вдувание через воздушные фурмы природного газа в количестве 100—150 м3 /т чугуна. Вдувание газа должно осуще­

на развитие температуры в горне. Комбинированное дутье, обогащен­ ного воздуха и природного газа, позволяет довести степень обогаще­

Выше были рассмотрены мероприятия по улучшению работы доменных печей в самом общем виде, так как по этому вопросу опуб­ ликован ряд подробных работ.

Шахтные печи нашли применение не только в черной металлургии, но и в цветной—шахтные печи используют для выплавки полупро­ дуктов меди, никеля, свинца и других цветных металлов. Эти печи работают на каменноугольном коксе, коксике и антраците; в колош­ никовых газах содержится: до 14—16% СО, значительное коли­ чество сернистого ангидрида (до 4—5%)) и много технологического уноса—взвешенная в газах рудная пыль и окислы металла. Темпера­ тура колошниковых газов составляет 300—450° С. Дутье воздуха подводят под давлением 0,1—0,3 ат. Многие печи работают без подо­ грева воздуха. В сущности мероприятия по улучшению работы шахтных (ватержакетных) печей остаются теми же. Работа на подо­ гретом дутье до 800° С и выше является одним из важнейших меропри­ ятий улучшения работы печей. Этот вопрос более подробно освещен в гл. П. Наиболее целесообразным является устройство автономного подогрева воздуха в регенеративных воздухоподогревателях с кипя­ щим слоем промежуточного теплоносителя или в воздухоподогрева­ телях типа «газовзвесь» с отоплением природным газом или мазутом. Мазут применяют при условии бездымного сгорания, которое обес­ печивают при помощи специальных мер (см. гл. VI) . Пример расчета воздухоподогреваталя с кипящим слоем промежуточного теплоноси­ теля приведен на с. 135. Другим решением повышения эффектив­ ности является применение кислорода для обогащения воздушного

118

дутья и вдувание природного газа. Однако более экономичным является вариант с автономным нагревом воздуха.

Литейные цехи и чугунолитейные заводы с чугунолитейными вагранками часто располагают недалеко от жилых домов, и населе­

10—14 кг пыли и 160—200 кг окиси углерода,—являющейся ядовитым газом, содержание которого в воздухе допускают не более 2 мг/м3 .

Как правило, ваграночные газы очищают до некоторой степени только от пыли, но окись углерода выбрасывается полностью. В ваг­ ранках выплавляют почти весь чугун для машиностроения и поэтому количество окиси углерода, отравляющей атмосферу, очень велико. При концентрации окиси углерода от 4—16,6% по объему (на осно­ вании исследований физико-химической лаборатории института ох­ раны труда ВЦСПС совместно с институтом НИИОгаз, проведен­ ных на одном чугунолитейном заводе) вредное влияние окиси углерода, попадающей в атмосферу с ваграночными газами, распро­ страняется до двух километров от источника газов в штиль, а в ветренную погоду это расстояние увеличивается в несколько раз. Особенно страдают от газов люди, находящиеся вблизи от вагранок, где концентрация окиси углерода особенно велика. Чугунолитейные цехи крупных заводов настолько загрязняют воздух, что иногда ставят вопрос о перебазировании предприятий в другие места, более удаленные от больших жилых массивов, или о замене вагранок ин­ дукционными печами промышленной частоты, что связано с боль­ шими затратами. Советские и зарубежные ученые уже давно разра­ батывают меры по обезвреживанию и использованию тепла вагра­ ночных газов. В решении этого вопроса имеются определенные успехи, позволяющие оборудовать чугунолитейные цехи более совер­ шенной техникой и не только обезвредить и очистить ваграночные газы, но одновременно резко повысить рентабельность производства.

Во Всесоюзном заочном политехническом институте под руко­ водством автора проведена работа по обобщению опытных данных по обезвреживанию и использованию тепла ваграночных газов.

Сущность энергетической модернизации заключается в следу­

структуру чугуна, уменьшить содержание в нем серы, повысить прочность отливок. Чугун получают более жидкотекучим, что дает возможность производить более тонкое литье, и, следовательно, более легкие детали, снизить брак по газовым раковинам и незапол­ нению форм. Высокая температура даст возможность производить высокопрочные и жаростойкие чугуны, очень нужные для машино­ строения. Можно будет получать хороший чугун из недорогих шихтовых материалов (чугунный и стальной лом вместо чушкового чугуна).

119