книги из ГПНТБ / Кривандин В.А Керамические рекуператоры

немие подогретого в рекуператорах воздуха, повышающего тем­ пературу горения, позволяет снизить теплотворность смешанного газа и тем самым высвободить значительное количество коксо­ вального газа, крайне необходимого для мартеновских печей. В некоторых случаях [6] при подогреве как воздуха, так и газа удается организовать работу прокатных печей при отоплении доменным газом.

Приведенные выше положения могут быть иллюстрированы данными, помещенными на рис. 8, которые получены при рабо­ те рекуперативных отапливаемых из центра пода колодцев с коэффициентом избытка воздуха 1,1. Из рис. 8 следует, что увеличение температуры подогрева воздуха позволяет снизить долю коксовального газа в топливной смеси. Причем работа на­ гревательных колодцев при подогреве только одного воздуха до 800—850° практически невозможна, если используется топ­ ливо, теплотворность которого ниже 1300—1400 ккал!нмл.

4. Влияние подогрева воздуха на протекание процесса горения

Важными характеристиками процесса горения являются ско­ рость горения и температура воспламенения.

Значительное влияние на величину скорости горения газо­ образного топлива оказывает степень предварительного подо­ грева смеси (или воздуха).

Так, по данным Поссауера [5, 9], приведенным на рис. 9, максимальная скорость горения значительно увеличивается с увеличением предварительного подогрева смеси.

При подогреве воздуха в керамических рекуператорах на­ блюдаются прососы воздуха в дымовые каналы. Прососы воз­ духа приводят к нарушению нормального процесса горения, по­ скольку скорость горения зависит от коэффициента избытка воздуха (рис. 10).

Предварительный подогрев воздуха также благоприятно влияет на скорость достижения температуры воспламенения. При подаче для горения подогретого воздуха эта температура достигается быстрее, поскольку ускоряется процесс подогрева смеси.

При сжигании жидкое топливо подвергают тончайшему распыливанию для лучшего смешения с воздухом. Это приводит к образованию двухфазной смеси, срок существования которой весьма мал, но достаточен для испарения жидких частиц и по­ лучения газообразной смеси.

В результате предварительного подогрева воздуха может значительно ускориться испарение и образование газообразной смеси, а также углубиться этот процесс. Первичная горючая смесь может быть доведена до такого состояния, когда она способна к воспламенению при более умеренных температурах.

20

Рис. 9. Зависимость скорости горения от темпе­ ратуры газовоздушной смеси:

/ — водород; 2 — коксовальный газ; 3 — водяной газ;

Рис. 10. Зависимость скорости горения от величины коэффициента избытка возду­ ха:

/—водород; 2 — С2Н2; 3 — С«Н4; 4 — СО; 5 — С3Н8; б — СН4

21

Важным обстоятельством при сжигании жидкого топлива яв­ ляется возможность разрушения факельного очага горения при слишком грубом распиливании [9]. Крупные частицы, получив­ шие при вылете из форсунки известную начальную скорость, по инерции, а также под воздействием сил тяжести могут начать выпадать из потока, не попадая в зону активного горения. Что­ бы частицы не выпадали, вес частицы в газо-воздушной среде должен быть меньше силы сопротивления ее движению в этой среде.

При подогреве воздуха сопротивление движению частиц уве­ личивается из-за повышения вязкости, что позволяет приме­ нять менее тонкое распиливание. Так, в холодном воздухе удер­ живаются частицы, диаметр которых не превышает 80 мк, а в горячем воздухе (400°) — 160 мк [9].

В дымовых газах, обладающих более высокой температурой

ивязкостью, в потоке удерживаются более крупные частицы. При сжигании пылевидного топлива выделение летучих всег­

да предшествует полному воспламенению. Воспламенившиеся летучие становятся основным источником тепловыделения (при холодном воздухе) в начальной зоне горения. Надо, таким об­ разом, стремиться к наибольшему выделению летучих и к наибо­ лее быстрому прогреву смеси летучих и воздуха. Применение подогретого (до допустимых пределов) вторичного воздуха бу­ дет значительно ускорять процесс прогрева и тем самым способ­ ствовать устойчивому горению.

Подогрев первичного воздуха весьма положительно влияет на процесс горения пылевидного топлива, особенно, если он на­ столько значителен, что может обеспечить как подсушку топли­ ва, так и раннее выделение летучих [9].

Таким образом, применение подогретого воздуха улучшает протекание процессов горения газообразного, жидкого и пыле видного топлива.

5. Полнота рекуперации

Поскольку рекуперация тепла позволяет значительно эконо­ мить топливо, целесообразно стремиться получить максималь­ но возможную, экономически оправданную степень рекупера­ ции. Однако необходимо сразу заметить, что рекуперация не мо­ жет быть полной, т. е. всегда Р <1. Это объясняется тем, что, с одной стороны, в рекуператоре происходят тепловые потери в окружающую среду; с другой стороны, увеличение поверхнос­ ти нагрева оказывается рациональным только до определенных пределов, после которых значительное увеличение поверхности нагрева приводит к очень незначительному выигрышу в эконо­ мии тепла. По мере понижения температуры дымовых газов и воздуха величина суммарного коэффициента теплопередачи уменьшается, так как ослабевает теплообмен на дымовой сторо-

22

не и уменьшается скорость движения воздуха. Поэтому элемен­ ты поверхности рекуператоров, находящиеся в зоне относитель­ но высоких температур, работают в тепловом отношении более напряженно и передают от дымовых газов к воздуху больше тепла, удельное количество (ккал/л<2) которого падает по мере

Рис. 11. Зависимость экономической эф­ фективности рекуператора от температу­ ры подог[Ава воздуха:

/— экономия в стоимости топлива; 2 —стои­ мость рекуператора; 3 — чистая экономия

понижения температуры сред в рекуператоре. Это приводит к тому, что увеличение поверхности нагрева (или размеров) ре­ куператора больше оптимального не дает желаемого эффекта и сопровождается в то же время увеличением стоимости рекупе ратора.

Таким образом, при решении вопроса о полноте рекупера­ ции необходимо учитывать как теплотехнические, так и эконо­ мические факторы и находить оптимальные решения (рис. И).

23

Глава II

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ РЕКУПЕРАТОРОВ

Работа керамического рекуператора в значительной мере за­ висит от того, из какого материала выполнены его элементы. Работая при весьма высоких температурах, материал рекупе­ ратора должен обладать достаточной огнеупорностью и весьма высокой температурой начала деформации под нагрузкой. Ма­ териал рекуператора должен характеризоваться также свойст­ вами, которые способствуют улучшению теплоотдачи от дымо­ вых газов к воздуху и увеличивают суммарный коэффициент теплопередачи рекуператора. К числу таких свойств в первую очередь относится теплопроводность, увеличение которой умень­

шает тепловое сопротивление стенок рекуперативных эле­

ментов и тем самым увеличивает коэффициент теплопередачи. Снизить тепловое сопротивление можно также, уменьшая тол­ щину стенки элемента рекуператора. Но в этом случае материал должен обладать необходимыми механическими свойствами.

Керамические рекуператоры часто работают в сложных термических условиях и поэтому огнеупорные материалы, при­ меняемые для изготовления рекуператоров, должны быть доста­ точно термостойки. Недостатком керамических рекуператоров является их низкая газоплотность. Поэтому желательно, чтобы материал рекуператора обладал наименьшей газопроницае­ мостью. Одной из важнейших характеристик материала является коэффициент термического расширения, так как термический рост рекуператора способствует раскрытию швов и вызывает не­ обходимость создания специальных затворов, которые большей частью являются недостаточно газоплотными.

Применение керамических рекуператоров на сталеплавиль­ ных, а в ряде случаев и нагревательных печах вызывает необ­ ходимость использования огнеупоров достаточной устойчивости против воздействия окислов железа — основной составляющей шлаков и окалины.

24

25

достаточный коэффициент теплопередачи. Из-за невысокой ме­ ханической прочности шамота нельзя изготовлять тонкостенные рекуперативные элементы. Однако самым значительным недо­ статком шамота, как материала для изготовления керамиче­ ских рекуператоров, является его низкая теплопроводность.

С точки зрения сопротивляемости разъедающему действию окислов железа следует отметить, что окалина сравнительно ма­ ло действует на шамотные рекуперативные элементы. Шамот­ ные рекуператоры на сталеплавильных печах неприменимы, по­ скольку шамотные огнеупоры недостаточно огнеупорны и обла­ дают значительной пористостью, что может привести к быстро­ му разрушению рекуператора.

Перечисленные недостатки шамота обусловливают малую теп­ ловую эффективность и большую громоздкость конструкций. Стремление использовать огнеупоры, обладающие большей ог­ неупорностью и теплопроводностью, привело к применению в керамических рекуператорах таких материалов как карборунд (SiC) и высокоглиноземистые материалы (А12О3 >60%).

2. Карборундовые огнеупоры

Карборунд обладает значительно большей, чем шамот, тепло­ проводностью. Карборунд получают искусственно путем элект­ роплавки кварцитов с коксом [11]. Суммарная реакция образо­ вания карборунда следующая:

SiO2 + 3C->SiC + 2СО.

Процесс начинается при температуре около 1600° и заканчи­ вается при температуре 2000—2200°. Химический состав карбо­ рунда обычно следующий: 95—99% SiC; 0,5—1,5% (Fe2O3 +

+FeO); 0,1—0,8% СаО; до 0,9% А12О3.

Карборунд характеризуется серо-черным цветом и очень

высокой твердостью (9,5—9,75 по Моосу). При 2200° карборунд начинает диссоциировать, кремний улетучивается, а углерод остается в виде графита. В присутствии кислорода карборунд окисляется, причем процесс идет быстро уже при 1700°. В зави­ симости от окислительной способности атмосферы реакции окисления карборунда протекают по следующим уравнениям:

SiC 1,5О2—>SiO2 -f- СО;

SiC -|- 2О2—> SiO2 + СО2.

Аналогичное действие оказывают пары воды: SiC + 2Н2О СН4 + SiO2.

Обладая большой теплопроводностью, карборунд вместе с тем имеет невысокий коэффициент расширения, обусловливаю­ щий незначительное изменение объема при высоких температу-

26

pax. Из-за этих свойств карборунд является хорошим материа­ лом для выполнения керамических рекуператоров. К недостат­ кам карборунда следует отнести то, что он плохо противостоит воздействию основных шлаков, особенно окислов железа и мар­ ганца.

При производстве карборундовых огнеупоров весьма важ­ ным является выбор применяемой связки. В настоящее время в качестве связки чаще всего применяют огнеупорную глину в количестве 10%, а затем карборундовые изделия обжигают в восстановительной среде. Этот тип карборундовых изделий но­ сит название карбофракса.

Глинистый компонент способствует не спеканию, а разрых­ лению карборундовых огнеупоров [13], что показывает нецелесо­ образность введения глины. Установлено, что замена глинисто­ го компонента добавками, содержащими 72,85 и 100% А12О3 по­ ложительно сказывается на свойствах огнеупора. Введение кар­ борунда тонкого помола позволило получить плотные и прочные карборундовые огнеупоры, не деформирующиеся под нагрузкой при 1700° (табл. 4).

* Карборунда 85%, связки 1570. давление прессования 600 кг,см'.

Исследования, проведенные А. Н. Новиковым и В. А. Смир­ новой [14], показали, что можно получать карборундовые изде лия улучшенного качества, используя другие минеральные связ­ ки и не прибегая к дорогостоящим мероприятиям. Было полу­ чено, что связки на основе окислов щелочноземельных метал­ лов и кремнезема заметно улучшают жаростойкость карборун­ довых изделий. Наиболее высококачественные изделия изготов­ ляют на кремнеземистой связке, получаемой за счет частичного окисления только карборунда или с добавкой металлического кремния.

Производство изделий из перекристаллизованного карборун­ да (рефракс) основано на характерном для аморфного карбо-

27

рунда свойстве кристаллизоваться без добавки каких-либо мине­ ральных связок. При воздействии в течение продолжительного времени весьма высоких температур аморфный карборунд пе­ рекристаллизовывается и приобретает плотное строение.

Рефраксовые огнеупоры отличаются от карборундовых изде­ лий, полученных на глиняной (или иной) связке, значительно большей теплопроводностью, что особенно важно для изготов ления рекуператоров.

Технология производства рекристаллизованных карборундо­ вых изделий весьма сложна: требуется тонкий помол карборун­ да и применение временных связок (жидкое стекло, декстрин, мелясса и бутум). Изделия обжигают в электрических печах, причем рекристаллизация карборунда происходит в интервале температур 2200—2350°. Усадки в процессе обжига почти не наблюдается, но происходит разложение временной связки и некоторое испарение карборунда, которое составляет около 1%. Полученный таким образом рекристаллизованный карборунд об­ ладает весьма значительной кажущейся пористостью (~40%1

и высокой газопроницаемостью (до 0,05 -------—---------) что одъ.

М'чаС'Мм род.ст.' *

ясняется как высокой пористостью исходного карборунда, так и разрыхлением структуры образцов при обжиге. Обладая значи­ тельной термостойкостью, рекристаллизованный карборунд име­ ет очень высокий коэффициент теплопроводности, доходящий при температуре 335° до 24,4 ккал/м ■ час ■ град.

3. Карбошамотные огнеупоры

Кроме шамота и карборунда, элементы керамических реку­ ператоров в настоящее время выполняют из смеси этих огне­ упорных материалов. Карбошамотные изделия содержат 35— 39% карборунда и обладают в основном лучшими, чем шамот­ ные, свойствами (табл. 3). Однако по ряду характеристик, в том числе по теплопроводности и огнеупорности, карбошамотные изделия значительно хуже, чем карборундовые.

4.Высокоглиноземистые огнеупоры

Внастоящее время для высокотемпературного подогрева воздуха пытаются применить рекуператоры из высокоглино­ земистых материалов, обладающих высокой шлакоустойчи-

востью и огнеупорностью, а также значительной теплопровод­ ностью [10—15]. Исследования высокоглиноземистых материа­ лов показывают, что они состоят главным образом из корунда и муллита или из обоих этих минералов.

Корунд является кристаллической модификацией глинозема (так называемый а-глинозем), устойчивый при высоких темпе­ ратурах, в отличие от аморфного у-глинозема, устойчивого

28