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

Количество циркулирующих газов

Объем газов в любом сечении газохода от места возврата до места отбора:

ния в рабочем пространстве печи необходимой температуры, при этом

газов, поступающих в смесительную часть горелок v'o6 , и газов,

в рекуператорах); когда необходимо несколько растянуть горящий

выше температуры разложения углеводородов. Качество сжигания зависит от абсолютного количества кислорода на единицу газооб­ разного топлива, от концентрации кислорода в газах и от степени забаластированности смеси. Однако эта зависимость точно еще не установлена.

Баланс кислорода топочного устройства можно выразить следую­

^ д о б — количество свежего воздуха, добавляемого к объему,

м3 /м3 ; а т — коэффициент избытка кислорода в топке;

v°— теоретический расход воздуха для горения м3 /м3 .

150

Если предположить, что горение осуществляется только за счет использования кислорода обратных газов (добавочных воздуха не подводится), то необходимо возвращать следующее количество обрат­ ных газов

При большой забалластированное™ газо-воздушной смеси невоз­ можно осуществить воспламенение ее. Однако при сжигании твер­ дого топлива возможна работа за счет присосов воздуха, что под­ тверждается опытами автора по сжиганию донецкого антрацита.

Количество газов, получаемых в топке при полном сгорании и при использовании кислорода обратных газов для горения

Химический состав топочных газов при полном сгорании газа

Химический состав топочных влажных газов определится из материальных балансов углекислоты, кислорода, азота и влаги:

vRQ — объем углекислоты при обычном сжигании без рецирку­ ляции;

vB, „ — объем водяных паров без рециркуляции.

151

152

температуру сгорания, а следовательно, действительную темпера­ туру факела в печи. При использовании в качестве топлива мазута или природного газа теоретическая температура сгорания может иметь значение 2500° С и более.

Действительная температура снижается за счет диссоциации газов СО 2 и Н 2 0 с последующим выгоранием СО и Н 2 и от излучения факела на более холодные поверхности нагреваемого материала и ограждения печи. Среднеэффективная абсолютная температура факела в рабочем пространстве составляет

В плавильных печах нет ограничений для температуры факела, так как производительность определяется внешним теплообменом, т. е. от факела и ограждений печи на поверхность ванны (если расплав­ ленный металл непрерывно стекает с кусков шихты). Поэтому в пла­ вильных печах рециркуляция газов не применяется. Но в нагрева­ тельных печах интенсивность внешнего теплообмена лимитируется теплопроводностью стальных слитков или заготовок, которой можно управлять частично. Перегрев металла на поверхности недопустим из-за возможного пережога, а также появления трещин в результате чрезмерного градиента температур по сечению. Во избежание этого ограничивают температуру подогрева воздуха или совсем отказы­ ваются от нагрева воздуха. Для снижения температуры факела

153

пользуются внутренней циркуляцией газов. На рис. 47, в показан рекуперативный нагревательный колодец с горелкой, расположенной в центре подины. Из рисунка видно, что развивающийся вверх факел вовлекает в циркуляцию отработанные, частью охладившиеся газы, в результате чего снижается температура факела.' Другой способ — устройство внешней рециркуляции, осуществляемой посредством осевого вентилятора. Такая система более гибка при автоматическом регулировании температуры и может обеспечить более качественный

нагрев. В этом случае величина подогрева воздуха даже при работе на мазуте и природном газе не имеет ограничений, так как темпера­ тура может регулироваться рециркуляцией газов с сохранением высокой экономичности работы.

Легко получить зависимость между калориметрическими темпе­

154

осталась бы на том же уровне, что и при сжигании без рециркуляции, но при холод­

На заводе фирмы Кейстоун стил энд уайр компани США, для нагревательного колодца на четыре слитка была переоборудована система рециркуляции по схеме, представленной на рис. 51. Коло­ дец работал с целью проверки системы в течение года [21].

Количество уходящих газов, возвращаемых в зону горения, регулируется задвижкой, которая управляется температурным дат­ чиком, установленным в канале возврата уходящих газов. Цирку­ ляционный вентилятор, изготовленный из жаростойкой стали и рас­ считанный на длительную работу, засасывает горячие уходящие газы из нагревательной камеры и направляет их к зоне горения. Темпера­ турный датчик в обходном канале заставляет задвижку в рециркуля­ ционном канале закрываться, когда температура уходящих газов приближается к границе безопасной температуры для работы венти­ лятора.

Для успешной работы важно, чтобы при эксплуатации во всех каналах поддерживалась температура выше температуры воспла­

и нагревательной камерой предусматривается форкамера, в начале которой происходит смешение топливо-воздушной смеси из горелки и рециркулирующих уходящих газов. Горячие газы проходят через канал и из него попадают в нагревательную камеру. Форкамера должна иметь достаточную длину, чтобы горящие газы достаточно

155

Температура всей системы поддерживается выше температуры воспламенения топливо-воздушной смеси, что предотвращает воз­ можность срыва пламени, взрыва и пульсации.

Добавление горячих уходящих газов к объему топливо-воздуш­ ной смеси значительно увеличивает общий объем горячих газов, проходящих через нагревательную камеру. Это приводит к лучшему распределению газов по объему и увеличивает контакт газа с по­ верхностью стали. При этом увеличивается теплоотдача от горячих газов к поверхности стали, а следовательно, и производительность печи. Большие объемы горячих газов способствуют продувке мерт­ вых зон камеры и препятствуют охлаждению торцов слитков. Общий объем горячих газов с учетом рециркуляции может в два-три раза превысить объем без рециркуляции.

Доля свободного или избыточного кислорода в количестве, необ­

нагревальщика от необходимости непрерывного наблюдения за сад­ кой печи, которое осуществляется оптическим пирометром, направ­ ленным на ближайшую к горелке заготовку, по которой ведется управление температурой пламени и поддерживается температура поверхности стали. Кроме уменьшения затрат труда, достигается и лучшее качество изделий, благодаря равномерному нагреву.

Наличие рециркуляции горячих газов в печи не только не увели­ чивает, но даже снижает стоимость эксплуатации, особенно за счет стоимости огнеупоров, так как более низкая и равномерная темпера­ тура пламени обеспечивает лучшую их сохранность. Механическое оборудование, применяемое в системе, упрощает обслуживание. Высокотемпературный вентилятор рассчитан на эксплуатацию при обычных и неизменных условиях в течение 10 лет и более. Движу­ щиеся части — задвижка в газоходе рециркуляции и перекидные клапаны, установленные в линии подачи воздуха на горение, просты

Следовательно, огнетехнические агрегаты с рециркуляцией дымо­ вых газов имеют малый удельный расход тепла. Тепловую экономич­ ность можно обосновать следующими благоприятными влияниями рециркуляции газов:

1)работой на горячем дутье. Введение добавочного тепла с воз­ духом, идущим на горение, не имеет ограничения, так как темпера­ тура факела (пламени) поддерживается на заданном уровне введением обратных газов;

2)уменьшением потерь тепла с уходящими газами в печах с невы­ сокими температурами рабочего пространства;

3)более полным использованием тепла дымовых газов по сравне­ нию с обычными печами за счет увеличения конвективной тепло­ отдачи (более низкая температура уходящих газов) и увеличением

157

производительности агрегатов за счет увеличения теплоотдачи и про­

быть очень значительной. Так, в низкотемпературных печах только за счет уменьшения потерь тепла с уходящими газами удельные расходы топлива снижаются на 20—30%. Сочетая высокотемпера­ турный подогрев воздуха в рекуператорах с рециркуляцией газов,

топлива •— г/(см2 -сек). Эта скорость, помимо температуры, давления и концентрации реагирующих веществ, зависит от скорости диффузии окислителя. Вблизи по­

и скорость реакции горения будет зависеть от скорости диффузии окислителя через погранич­

ничного слоя зависит от скорости потока и приведенного диаметра частицы топлива.

Результирующая скорость реакции опреде­ ляется тем, какой из составляющих процес­ сов — диффузия или собственно реакция — яв­ ляется лимитирующим. Если температура от­

носительно невелика, то процесс зависит от скорости химической реакции; при более высоких температурах скорость реакции окис­ ления так велика, что процесс горения углерода зависит от скоро­ сти диффузии, т. е. определяется физическим фактором.

В кинетической области скорость горения быстро растет с повы­ шением температуры и не зависит от скорости потока. При пере­

158

Горение твердого топлива в слое зависит также от способа шлакоудаления. По мере выгорания углерода на поверхности частиц топлива образуется золовая корочка, затрудняющая доступ окисли­ теля к поверхности углерода. Под действием высокой температуры зола может размягчиться, а кусочки топлива в плотном слое — сое­ диниться (свариться). Слой, как говорят в таких случаях, зашла­ куется, а горение топлива будет сильно затруднено. Для удаления золового нароста и для расшлакования слоя применяется его шуровка, т. е. рыхление слоя. Особенно высокая температура раз­ вивается при подаче горячего воздуха под колосниковую решетку, что сильно затрудняет эксплуатацию топки, так как шлак заливает прозоры решетки. Это заставляет полностью отказываться от при­ менения подогретого воздуха или ограничивать подогрев его вели­ чиной 180—200° С. Применяя рециркуляцию отработанных газов, отобранных за пределами печи или парогенератора, мы снижаем температуру слоя не только за счет нагревания возвращаемых газов, но и за счет реакции:

СО2 + С = 2СО — 38790 ккал/кмоль.

При рециркуляции, таким образом, снимается ограничение на тем­ пературу подогрева воздуха.

Многолетний опыт сжигания донецкого антрацита AM на колосни­ ковых решетках в печах с рециркуляцией газов, построенных по проектам автора, с подачей обратных газов под колосники, показал, что зашлакование решеток не наблюдалось и шлак удалялся в хорошо гранулированном состоянии с малым содержанием несгоревшего углерода.

О роли рециркуляции газов при сжигании мазута подробно сказано в гл. IV.

Рециркуляция дымовых газов в парогенераторах

Рециркуляция дымовых газов в современных парогенераторах большой производительности в последние годы находит все более широкое применение. Так, фирма Бабкок — Вилькокс уже в течение ряда лет успешно применяет рециркуляцию газов с целью регули­

низкую температуру, с одной стороны, позволяет снизить темпера­ турный уровень смешанного потока газов, а с другой, увеличивает их расход на участке газового тракта от места ввода до места отбора. В результате рециркуляции изменяется распределение тепла между поверхностями нагрева при пренебрежимо малом изменении сум­ марного тепловосприятия, расхода газов, поступающих в дымовую трубу, и к. п. д. парогенератора.

Рециркулирующие дымовые газы вводятся в топочную камеру, причем довольно существенное значение оказывает выбор места ввода. Чем больший путь проходят рециркулирующие газы в топоч-

159