книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

щего в печь с топливом (11.4). Это можно объяснить следующим образом. Тепло, вносимое в печь с топливом, частично теряется (60—20%) с продуктами горения (физическое тепло и химическая неполнота горения). В самом деле, при введении в печь дополнитель­ ного количества теплоты в виде сжигаемого топлива увеличивается объем продуктов сгорания и как следствие физическая потеря тепла дымовыми газами, покидающими рабочее пространство печи.

Со вводом же дополнительного количества теплоты с подогре­ тым воздухом-окислителем (и топливом) объем дымовых газов не возрастет, так как подогретый воздух используется без остатка в ка­ честве окислителя. При этом потери тепла с отходящими газами при наращивании тепловой мощности печи таким способом не увеличат­ ся. Поэтому подвод единицы теплоты с воздухом-окислителем при сохранении тепловыделения в рабочей камере позволит сократить его приток в печь с топливом более чем на единицу.

Конечно, чем ниже к. п. д. печи (чем выше тепловые потери с уходящими газами Q2 и Q3), тем ощутимее такая экономия при оценке эффективности подогрева воздуха и топлива (больше тепло­ ты сырого топлива будет экономить 1 ккал, полученная за счет регенерации и подведенная в печь). По мере повышения эффек­ тивности работы печи за счет снижения потерь Q2 и Q3 экономия топлива будет становиться все менее ощутимой. Однако при любых обстоятельствах будет наблюдаться неравноценность тепла топлива и регенеративного тепла. Принимая во внимание сказанное, эконо­ мическая эффективность внедрения регенерации должна рассчиты­ ваться с учетом последнего обстоятельства. Выполняя такие рас­ четы наряду с оценкой экономии Э, определяем эффективность меро­ приятий по утилизации тепла, затраты на строительство и эксплуа­ тацию использующего вторичные энергоресурсы тепломеханического оборудования.

11.2. ТОПЛИВНЫЙ! ЭКВИВАЛЕНТ ПОДОГРЕВА

То обстоятельство, что килокалория теплоты, поступающей в печь в воздухом-окислителем и подогретым топливом, позволяет более чем на 1 ккал снизить расход теплоты, вносимой в печь с топ­ ливом, учитывается топливным эквивалентом подогрева [108] и [109].

Под топливным эквивалентом подогрева Э ПОд нужно понимать

отношение сэкономленного тепла топлива к теплу, внесенному в печь

. j

внесенная в печь с подогретым воздухом-окислите­ лем (относительные значения).

272

Анализируя выражения (11.4) и (11.5), видим, что с ростом температуры подогрева экономия тепла топлива Э возрастает, а ве­ личина топливного эквивалента подогрева Эпод снижается. Сниже­

ние Эпод объясняется повышением экономичности работы печи. Увеличение единичных мощностей нагревательных и термичес­

ких печей и форсирование их работы приводит к тому, что темпера­ тура дымовых газов за печью высока и составляет 900— 1100° С. С учетом теплоты, поступающей в рабочее пространство с подогре­ тыми воздухом и топливом, коэффициент использования топлива колеблется в пределах 40—80%. Значительная же часть теплоты сгорания топлива (60—20%) теряется. Учитывая последнее обстоя­ тельство, использование теплоты продуктов сгорания топлива акту­ ально и весьма полезно как с экономической, так и технологической точек зрения. Однако мероприятия по утилизации теплоты неболь­ ших термических и нагревательных печей должны выполняться лишь после всестороннего экономического сопоставления вариантов работы печи с регенерацией дымовых газов и без нее.

Утилизация теплоты дымовых газов в основном осуществляется по трем самостоятельным схемам:

а) подогрев воздуха (а в ряде случаев и топлива), идущего на горение, происходит в рекуперативном теплообменнике (рекупера­ торе). Горячий воздух направляется ко всем зонам горения печи; б) использование теплоты продуктов сгорания выполняется

установкой за печью газотурбинной установки (ГТУ);

в) установка за печью котлов-утилизаторов. При сжигании топлива со сравнительно высокой теплотворной способностью весьма часто применяются комбинированные схемы, когда вначале на газо­ вом тракте печи устанавливается воздухоподогреватель-рекупера­ тор, служащий для подогрева воздуха-окислителя до температуры, обеспечивающей наибольший экономический эффект (200—450°С),

иуже после него — котел-утилизатор. При использовании комбини­ рованной схемы температура дымовых газов перед котлом-утилиза­ тором составляет примерно 600—650° С. Температура подогрева воздуха в предвключённом воздухоподогревателе выбирается в ре­ зультате сопоставления нескольких вариантов в соответствии с фор­ мулами (11.4) и (11.5). Такая комбинированная схема находит очень широкое применение при строительстве нагревательных печей большой и средней производительности. Печи машиностроительных

иавтотракторных предприятий котлами-утилизаторами, как пра­ вило, не комплектуются.

11.3. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ЗА СЧЕТ УСТАНОВКИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Осуществляя мероприятия по утилизации теплоты, приходится решать вопрос о том, какой из приведенных схем следует отдать предпочтение. Решение этого вопроса неразрывно связано с видом сжигаемого в печи топлива. Дело в том, что при сжигании низко­ калорийного топлива подогрев воздуха необходим, так как в про-

274

■тивном случае в рабочем пространстве печи (сварочная зона или

.зона основного нагрева термической печи) не разовьется должная ■температура. Следовательно, необходимость установки рекуперато­ ра при сжигании низкокалорийного топлива очевидна. Более того, при использовании такого топлива температура подогрева воздуха (а в отдельных случаях и топлива) составляет 500—600°С и в этих условиях котел-утилизатор установить нельзя.

Другое дело, когда в печи сжигается высококалорийное топли­ во. При использовании такого топлива наиболее приемлема схема с котлом-утилизатором (КУ) и предвключенным рекуперативным воздухоподогревателем. В этом случае температура газов перед котлом-утилизатором должна быть равна 550—700° С. Определив мероприятия по использованию теплоты отходящих продуктов сго­ рания и сделав выбор типа рекуперативного теплообменника и КУ, приступают к оценке эффективности принятой схемы утилизации теплоты. Для этого наряду с прочими сопоставлениями необходим тепловой расчет [16], [44], [49], [108— ПО].

Расчет рекуператора бывает поверочный, когда определяются температуры подогрева воздуха (топлива) и дымовых газов t"r.yx за рекуператором, и конструкторский. В результате конструктор­ ского расчета находят его поверхность нагрева. Конструкторский расчет также позволяет скомпоновать эту поверхность. При выпол­ нении конструкторского расчета размеры отдельных элементов по­ верхности, проходные сечения по первичному и вторичному тепло­ носителям должны быть заданы. В ряде случаев этими величинами задаются ориентировочно, а после определения поверхности нагрева их уточняют. Также должны быть заданы /г.ух, tB и tB". Конструк­ торский расчет рекуперативного теплообменника заканчивается компоновкой найденной поверхности нагрева, что в ряде случаев связано с пересчетом.

Необходимость поверочного расчета вызывается изменением температурного графика работы промышленной печи или ее произ­ водительности, и то и другое имеет непосредственное отношение

кпеременному режиму работы печи.

Иповерочный, и конструкторский тепловой расчет рекуператив­ ного теплообменника выполняется по формулам:

т) — коэффициент удержания теплоты, т]=0,85—0,95; И7г.ух и WB— соответственно водяные эквиваленты первичного и вто­

ричного теплоносителей.

Формула для определения температуры первичного теплоноси­ теля за рекуперативным воздухоподогревателем (топливоподогревателем) может быть представлена в виде:

4 “ W

где fr.yx и / " r .v x — температуры первичного теплоносителя;

in и tn" — температуры вторичного теплоносителя до и после теплообменника.

При необходимости выполнения теплового расчета рекупера­ тивного теплообменника за дополнительными сведениями можно обратиться к литературе [16], [108] и [109].

11.4. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ПЕЧНЫХ ГАЗОВ В КОТЛАХ-УТИЛИЗАТОРАХ

Оснащение печей котлами-утилизаторами КУ по существу при­ водит к созданию простейших энерготехнологических схем. Расчеты и практика показывают, что срок окупаемости подавляющего боль­ шинства котлов-утилизаторов составляет 1—3 года.

Котлы-утилизаторы по своему назначению подразделяются на две группы:

а) котлы-утилизаторы, которые предназначаются для повыше­ ния коэффициента топливоиспользования. Их работа не влияет на ход основного технологического процесса (нагрев, термическая обработка). К ним, в частности, относятся котлы-утилизаторы, которые устанавливаются за нагревательными и термическими пе­ чами. Они подразделяются на газотрубные (ГК) и пакетные конвек­ тивные (ПКК);

б) котлы-утилизаторы технологического назначения. Такие кот­ лы занимают промежуточное положение между котлами-утилизато­ рами первой группы и энерготехнологическими агрегатами, которые в будущем станут преобладающей группой оборудования благодаря весьма большим перспективам энерготехнологии. Уже сейчас при современных масштабах производства трудно создать комплекс обо­ рудования без применения энерготехнологических теплоиспользую­ щих агрегатов. В качестве примера можно указать на современные сульфатцеллюлозные комбинаты, где в широких масштабах исполь­ зуются энерготехнологические содорегенерационные котлы.

В этом параграфе будут рассмотрены вопросы, касающиеся котлов-утилизаторов первой группы, работа которых не связана с основной технологией производства.

Применяемые в настоящее время для утилизации тепла продуктов сгорания нагревательных и термических печей котлыутилизаторы имеют сравнительно небольшую производительность (5—20 т/ч). Однако учитывая исключительную важность вопросов, касающихся экономии топлива, уже теперь намечен выпуск крупных агрегатов с производительностью в 100—250 т/ч и давлением пара 40—100 ата. Увеличение параметров пара, как известію, вызывается стремлением к более полному использованию вторичных энерго­ ресурсов основного производства, а также возможностью взаимо­ связи с другими агрегатами промышленной ТЭЦ.

276

Разработкой проектов и исследованием проблем, связанных с созданием нового оборудования для использования вторичных энергоресурсов (в том числе и КУ), занимаются многие исследова­ тельские и проектные организации страны. Ведущую роль занимают ЦКТИ имени И. И. Ползунова, Энергочермет, ЭНИН АН СССР,

МЭИ, Гипромез и др.

8 — П К К -25/41- — 70; 45о

1

9 — ПКК-35/ ^ j - — 70;

10 — ГК-15/14 — 40; 11 — ГК-25/14—40;

Для регенерации теплоты продуктов сгорания топлива, поки­ дающих промышленную печь, могут использоваться котлы-утилиза­ торы типов КУ (КУ-16, КУ-40, КУ-50, КУ-60, КУ-60У, КУ-80,

Рис. 11.2. Графики для выбора Д/г ( к Г / м 2 ) (пунктиром выделена ре­ комендуемая область использова­ ния КУ):

КУ-80У, КУ-ЮО, КУ-125 и КУ-20/39) и КСТ (КСТ-80) производи­ тельностью по пару 3—50 т /ч и давлением 8, 13, 43, 36 и 39 ата при температуре перегрева 250—450° С (табл. 11.1).

277

! л

. ч

278

279'

ІДКТИ имени И. И. Ползунова и Белгородским котельным заво­ дом разработан отраслевой стандарт 23.034.01 на типы и параметры котлов-утилизаторов, введенный в действие с 1 января 1969 г.

Типы котлов-утилизаторов и некоторые их основные параметры в соответствии с ОСТ даны в табл. 11.2. В скобках приведены дан­ ные типоразмеров, изготовляемых только по согласованию с заказ­ чиком.

С 1970— 1971 гг. на БелКЗ предполагалось начать выпуск головных образцов типовых унифицированных КУ, которые заме­ нят выпускающиеся в настоящее время агрегаты (табл. 11.3). Необходимый типоразмер унифицированного КУ выбирается по ТѴдиаграмме (рис. 11.1), в которой представлены экономически обос­ нованные области их использования. При выборе типоразмера нуж­ но учитывать характеристику дымовых газов, свойства уноса из печи и предполагаемую форсировку работы котла-утилизатора. Аэродинамическое сопротивление принимаемого к установке котлаутилизатора может быть принято в соответствии с рис. 11.2.

П р и м е ч а н и е . Звездочкой отмечены типоразмеры агрегатов, близкие по размерам к унифицированным.

280

11.4.1.ГАЗОТРУБНЫЕ КОТЛЫ-УТИЛИЗАТОРЫ ТИПА КУ |ГК)

Кгазотрубным котлам-утилизаторам, которыми комплектуются

печи для нагрева и термической обработки стали, относятся КУ-16 и КУ-40, которые устанавливаются на дымовом тракте в непосред­ ственной близости от промышленной печи.

Горизонтальные газотрубные котлы-утилизаторы (рис. 11.3) имеют барабан, внутренний диаметр которого у котлов КУ-16

и КУ-40 соответственно равен 2200 и 2566 мм. Барабан имеет сепарационное устройство в виде дырчатого листа и жалюзи. Продукты сгорания поступают в дымовую коробку, а затем — по дымогарным трубкам, имеющим внутренний диаметр 60 мм, к выходной газовой коробке, откуда они отводятся за пределы КУ. Внутри входной га­ зовой коробки расположен горизонтальный противоточный паро­ перегреватель. Диаметр трубки пароперегревателя котлов типа КУ-16 и КУ-40 соответственно равен 32X3 и 38X3 мм. Обмуровка входной газовой коробки многослойная и состоит из слоя шамото­ бетона, термоизоляционного бетона и матрацев из шлаковаты. Питание и сигнализация уровня воды автоматизированы. Котлы КУ-16 и КУ-40 поставляются транспортабельными блоками.

Техническая характеристика этих котлов-утилизаторов приве­ дена в табл. 11.4.

11.4.2. ПАКЕТНЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ КОТЛЫ-УТИЛИЗАТОРЫ ТИПА КУ (ПКК)

В настоящее время выпускаются пакетные конвективные котлыутилизаторы КУ-50, КУ-60, КУ-60У, КУ-80, КУ-80У, КУ-100 и КУ-125. Они в ближайшее время будут заменены котлами ПКК-

Пакетные конвективные котлы-утилизаторы имеют полуоткры­ тую компоновку. В отличие от дымогарных КУ они являются бара-

281