Чейлытко ВЭР

183

10 ОХОЛОДЖЕННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ УСТАНОВОК

10.1 Системи примусового охолодження і особливості теплообміну в

них

У високотемпературних вогнетехнічних установках безліч конструктивних елементів (деталей) знаходяться в зонах високих температур, і надійна робота їх залежить від застосування системи примусового охолодження.

Розрізняють два типи охолоджуваних елементів печі (кесонів): порожнисті, або коробчасті (рис. 9.1), і трубчасті (рис. 9.2).

Під порожнистими розуміють такі елементи, в яких швидкість руху потоку в порівнянні зі швидкістю в підвідному трубопроводі знижується в кілька разів.

Захист від перегріву і руйнування зовнішніх огороджень робочої камери печі високотемпературними продуктами згоряння і розплавом необхідна для всіх плавильних печей, оскільки їх вогнетривка футеровка працює в особливо важких умовах і швидко зношується.

Рисунок 10.1 - Порожній кесон

Прикладом відводу надлишкового тепла технологічного процесу може служити поверхня нагріву, розташована в киплячому шарі при випалюванні

184

сульфідних матеріалів. Такий випал супроводжується виділенням тепла екзотермічних реакцій, надлишкову кількість якого слід відводити щоб уникнути неприпустимого підвищення температури шару. Температура випалу є найбільш важливим параметром процесу.

У нагрівальних прокатних печах з двостороннім обігрівом металу примусове охолодження здійснюється в подових трубах та інших елементах, розташованих у зоні високих температур (рис. 9.3).

Водяне охолодження. Примусове охолодження елементів високотемпературних печей донедавна здійснювалося тільки технічною водою, що нагрівається до температури не вище 310 - 315 К. Більш висока кінцева температура води виключається щоб уникнути випадання накипу всередині охолоджуваних елементів, наслідком чого з'явився б їх перегрів і перевитрата.

Водяне охолодження здійснюється за проточною і зворотному схемами. Витрата охолоджуючої води залежить від її якості та конструкції охолоджуваних елементів. Незначне нагрівання на 5-15 К вимагає дуже великої витрати води. Зменшення в'язкості води з підвищенням температури сприяє збільшенню коефіцієнта тепловіддачі від стінки до води.

186

d - внутрішній діаметр трубки, м;

μ - коефіцієнт динамічної в'язкості, H·c/м;

Cp - теплоємність при постійному тиску, кДж/(Кг · К); W - середня швидкість води, м/с;

ρ- щільність води , кг/м3.

аб

а - проточне водяне охолодження; б-оборотне водяне охолодження; с-випарне охолодження з природною циркуляцією; г-випарне охолодження з примусовою циркуляцією; д- випарне охолодження в комплексі з ПОГ; е- двоконтурне випарне охолодження; 1-робоча камера; 2-система охолодження; 3- живильний насос , 4 - циркуляційний насос ; 5 - барабан ; 6 - випарна система; 7 - градирня , 8 - ПОГ .

Рисунок 10.3 - Принципові схеми примусового охолодження елементів високотемпературних печей

Рівняння ( 10.2 ) можна записати так, (Вт/(м2 • К))

де В - коефіцієнт, що залежить від теплопровідності, теплоємності та динамічної в'язкості теплоносія , а також від його температури.

187

Вода широко застосовується в якості теплоносія для охолодження конструктивних елементів високотемпературних печей.

До основних недоліків систем водяного охолодження слід віднести: а) низьку температуру охолоджуючої води ( 310-315 К), що практично

виключає можливість використання тепла. Зазвичай її скидають у каналізацію (при прямоточному водопостачанні) або охолоджують у градирнях (при оборотному водопостачанні). Виникає при цьому тепловідвід в навколишнє середовище досягає значної величини – 20-40 ГДж/год. на один пічний агрегат;

б) значні витрати електроенергії на підйом і перекачування великої кількості води (до 300-500т/год. на один пічний агрегат при тиску 0,3-0,4 МПа). Виробничий комплекс заводу при цьому ускладнюється водним господарством великої продуктивності.

Випарне охолодження. Сутність випарного охолодження полягає в охолодженні конструктивних елементів печей хімічно очищеною водою, причому тепло, яке відводиться від охолоджуваних деталей витрачається на випаровування води. Охолоджувані деталі приєднані двома трубами до барабана - сепаратора. За опускною трубою вода з барабана-сепаратора підводиться до деталі, по підйомній трубі пароводяна суміш відводиться в барабан-сепаратор. Тут пара відділяється від води і надходить у паропровід. Вода в системі циркулює безперервно. При цьому можливе застосування природної циркуляції, заснованої на різниці щільності води в опускній трубі і пароводяної суміші в підйомній трубі, і примусовою, здійснюваною циркуляційними насосами. Вода, відведена у вигляді пари, заповнюється живильною водою, яка подається в барабан - сепаратор.

В системі випарного охолодження тепло, яке відводиться використовується для вироблення пари D в кількості, (кг/с):

188

де Кн - коефіцієнт нерівномірності;

Qo - кількість тепла, що відводиться кДж/с; iп - приріст ентальпії пари, кДж / кг;

iп.н - ентальпія насиченої пари, кДж / кг; iп.в- ентальпія живильної води, кДж / кг.

При цьому витрата води скорочується відповідно співвідношенню iп

де П1 - втрати продувочної води, % ( кількість продувочної води для системи випарного охолодження зазвичай приймається (5-10 %);

П2- втрати води в системі, % (включаючи промивання й витоку втрати води становлять приблизно 3-5 %).

Отже, розрахункова кількість живильної води МП1, необхідної для охолодження, складі, (кг/с):

де Кр - розрахункова кратність циркуляції , тобто кількість кілограмів води , що циркулює в системі , витрачається для отримання 1 кг пари.

Основні переваги випарного охолодження в порівнянні з водяним 1. Підвищення стійкості охолоджуваних деталей (у 5-10 разів),

зменшення прогарів деталей і простоїв печі, викликаних заміною прогорілих деталей.

189

2.Значне зменшення витрат води і в зв'язку з цим зниження витрати електроенергії на її подачу до пічних агрегатів. Відпадає необхідність у спорудженні громіздких і дорогих водоводів, перекачувальних насосних станцій та установок для поворотного охолодження води (градирень, бризкальних басейнів, ставків та ін.)

3.Зниження витрати палива в заміщуючих установках у зв'язку з можливістю використання тепла охолоджуваних елементів печей. Практика експлуатації системи випарного охолодження показує, що використання тепла охолоджуваних елементів металургійних печей становить 8-10 % парового балансу заводу.

Недоліки випарного охолодження:

1.Значне зменшення витрат води (у 20-80 разів) і у зв'язку з цим застосування досконалих методів водопідготовки, необхідних для виключення накипеформування на поверхні кесонів при випарному охолодженні.

Слід врахувати, що питоме теплосприйняття печей всіх типів різко змінюється як за часом робочої кампанії, в залежності від зносу вогнетривкої футеровки кесонів (ізоляція подових труб), так і для різних за температурних умов ділянок печей. Дуже велика величина питомого теплосприйняття окремих (оголених) ділянок систем охолодження пояснюється потужною радіацією високотемпературного факела і розпечених мас металу, шлаку і вогнетривкої кладки. Ці особливості теплосприйняття необхідно враховувати при забезпеченні надійності систем примусового охолодження високотемпературних печей.

Надійність роботи механічно навантаженого (що знаходиться під тиском) металу визначається головним чином його температурою, тому що всі показники міцності металу різко знижуються при підвищенні цієї температури. Температуру теплосприйняття металевої стінки (для спрощення вважаємо її плоскою) можна визначити за рівнянням,К,

190

де Т0 - температура охолоджуючого середовища, К; qп - щільність теплового потоку, Вт/м2;

α2 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води , Вт/(м2•К); δм, δв - товщина стінки металу і накипу, м;

λм, λн - коефіцієнт теплопровідності металевої стінки і накипу, відповідно, Вт/(м•К).

Оскільки коефіцієнт теплопровідності накипу вкрай низький λн=1,12÷0,12 Вт/(м•К), то навіть невелика товщина шару накипу буде різко збільшувати тепловий опір і температуру стінки металу кесона.

З рівняння (9,8) слідує, що важливою умовою надійної роботи систем випарного охолодження, крім забезпечення відповідної якості живильної і парогенераторної води, є запобігання виникнення високого паровмісту суміші. Трубчасті елементи з підвищеною швидкістю примусової циркуляції володіють в цьому відношенні перевагами в порівнянні з коробчастими кесонами, працюючими при малій і часто нестійкій природній циркуляції.

Високі питомі теплові навантаження окремих елементів випарного охолодження плавильних печей створюють помітний перепад температури і в металевій стінці, особливо коробчастих кесонів. Наприклад, приймаючи теплопровідність сталі рівної 50 Вт/(м•К), отримуємо при qп = 500 кВт/м2 величину Тм = 525 К для коробчастих кесонів з товщиною стінки 25 мм і Тм = 300 К для трубчастих елементів при товщині стінки 2,5 мм.

Для відведення великих теплових потоків величина коефіцієнта тепловіддачі від стінки кесона до пароводяної суміші α2 повинна бути не менше 10 кВт/(м2•К). Із загального розрахункового рівняння (7.3) слідує, що для досягнення таких значень α2 необхідно: застосовувати підвищену швидкість циркуляції (не менше 0,8-1,0 м/с); використовувати малі еквівалентні діаметри каналів, або труб; працювати при підвищеному та

191

високому тиску пари, коли підвищується одночасно щільність пароводяної суміші і числовий коефіцієнт в рівнянні (9.З). Таким чином, підвищення тиску пари і перехід на трубчасті кесони підвищує надійність роботи високотемпературних печей.

Охолодження високотемпературними теплоносіями. Для зниження тиску охолоджуючого теплоносія при одночасному підвищенні його температурного рівня можна використовувати охолодження кесонів високотемпературними теплоносіями. У цьому випадку в самих кесонах повинен циркулювати високотемпературний теплоносій при атмосферному тиску і температурі нижче його температури кипіння, а пароутворення має відбуватися в випарній системі другого контуру. Температура кипіння найбільш перспективних високотемпературних теплоносіїв (дифенільних сумішей, нітрато-нітритна і рідкометалевих теплоносіїв) при Р = 0,1 МПа вище 525 К. Розплавлені метали посідають особливе місце серед теплоносіїв, володіючи відносно високою теплопровідністю, малою в'язкістю і високою температурою кипіння. Ці властивості дають можливість використовувати деякі рідкі метали в якості теплоносіїв при температурах до 973 К, при яких інші теплоносії (у тому числі вода і органічні теплоносії) не придатні. В якості теплоносіїв застосовують натрій, калій, літій, їх сплави, а також ртуть, олово, вісмут, свинець і їх сплави.

При проходженні в процесі циркуляції через теплообмінник високотемпературної рідини, нагрітої до 525 К, у другому контурі теплообмінника за рахунок використання тепла цієї рідини можна отримати пар тиском Р = 4 МПа .

На Орському нафтопереробному заводі в якості охолоджувача трубок каталітичного реактора застосовується нітрато-нітритна суміш (53% KNO3, 40% NaNo3 і 7% NaNO2)

При гарнісажному кесонуванні обмежених поверхонь металургійного агрегату можна використовувати рідкометалеві (наприклад, фурменого

192

пояса конвертора) теплоносії. Для цього рекомендується застосовувати евтектичну суміш свинцю і вісмуту (44,5 % Рbі 55,5 Bi), що характеризується високою температурою кипіння і відносно низькою температурою плавлення (Тпл =396,5 К, Ткип =1953 К, С=0,147 кДж/(кг•К). Головна перевага цього теплоносія - забезпечення повної безпеки роботи Основні вимоги, пропоновані до конструкції кесонів з рідкометалевим теплоносієм, наступні:

а) досить високий коефіцієнт тепловіддачі від стінки кесону до теплоносія і збереження гарнісажного футерування;

б) мінімальний об’єм кесону для зменшення об’єму теплоносія; в) мінімальні температурні деформації кесону; г) простота виготовлення і монтажу.

Стійкість схильною найбільшому тепловому впливу поверхні кесона можна підвищити за умови створення на звернення до робочого простору стінці кесона гарнісажу з застиглого розплаву, що виконує в цьому випадку роль футерування. Міцність і стійкість гарнісажного шару можна різко підвищити, застосовуючи ошиповані кесони, попередньо захищені з вогняного боку тонким і щільно прилеглим до металу шаром вогнетривкого набивання. При систематичному і рівномірному впливі розплаву на таку поверхню створюється гарнісажна футеровка, яка відрізняється від простої цегляної кладки великим терміном служби.

Товщина гарнісажного покриття К, як правило, буває невеликою. Наближено вона дорівнює, (Вт/(м•К),

де α1 - коефіцієнт тепловіддачі від продуктів згоряння до труби; δст, δг.ф - відповідно товщина металевої стінки і гарні сажного

футерування;