Воздухонагреватели

В воздухонагревателях без камеры горения (бесшахтных) сжигание газа организуется в горелочной системе, установленной на куполе. Межремонтный срок службы таких воздухонагревателей будет определяться уже не стойкостью камеры горения, а стойкостью купола, расположенного на нем горелочного устройства и насадки.

На сегодняшний день разработано  и внедрено в промышленность 2 типа бесшахтных воздухонагревателей:

- воздухонагреватель с кольцевой форкамерой;

- воздухонагреватель Калугина.

2.4.1 Воздухонагреватель с кольцевой форкамерой

 

В основании купола расположена  короткая (1м) кольцевая форкамера, в нижней части которой установлено несколько десятков керамических горелок малого калибра. Кольцевые коллекторы газа и воздуха расположены внутри кожуха, применяется такое же оборудование, что и при керамических горелках.

Первый такой воздухонагреватель с динасовым верхом был построен на доменной печи объемом 1500 м³ (НТМК) в 1982 году. Исследования его показали, что практически полное сжигание газа достигается на выходе из форкамеры, пульсирующее горение не возникает, неравномерность распределения продуктов горения по насадке составляет + 5 %. Воздухонагреватель работает весьма надежно с температурой горячего дутья 1150 °С - 1220 ⁰С.

Осмотры охлажденного воздухонагревателя после 4, 10 и 16 лет эксплуатации, что  горелочные устройства и насадка  находятся в хорошем состоянии  и оно лучше, чем у динасового купола. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определяется стойкостью купола, которая для динаса достигает 30 лет.

Однако эти воздухонагреватели имеют расширенный купол и поэтому возникают проблемы при их установке на месте существующих воздухонагревателей при реконструкции в бесшахтном варианте. Кроме того, район горелочного устройства имеет сложную футеровку и требуется дополнительная настройка одинакового распределения газа и воздуха из коллекторов по отдельным горелкам перед пуском в эксплуатацию.

Данный воздухонагреватель был опробован на работу с проектными температурами купола 1450ºС и дутья 1350ºС. Он надёжно работает в блоке с двумя обычными воздухонагревателями без капитального ремонта уже в течение 27 лет с температурой горячего дутья 1200ºС. Осмотры охлаждённого ВН после 9, 16 и 27 лет эксплуатации показывали хорошее состояние всех его элементов. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определяется стойкостью купола, которая в несколько раз выше стойкости камеры горения и для динасового купола достигает 30 лет.

Аппарат был разработан как  опытный аналог воздухонагревателей  для магнито-гидродинамической электростанции (МГДЭС-500) с температурой нагрева дутья 1700ºС, при расходе дутья 10 000 м³/мин и его давлении 1,0 МПа.

 

 

3 Воздухонагреватель  с внутренней камерой горения

 

Для нагрева доменного  дутья до температур 1100 °С - 1400 ^оС используют воздухонагреватели. На практике используют два типа нагревателей: с внутренней (встроенной) и вынесенной камерой горения. Основным преимуществом второго типа воздухонагревателей по сравнению с первым является более высокая стойкость кладки, а к недостаткам следует отнести увеличение габаритов и стоимости сооружения на 20-25%. В связи с тем, что на большинстве доменных печей отсутствует место для строительства воздухонагревателей с вынесенной камерой горения, этот тип воздухонагревателей, в основном, используется при строительстве новых доменных печей. Таким образом, в настоящее время наибольшее распространение получили воздухонагреватели с внутренней камерой горения.

 

3.1 Корпус и  футеровка

 

Воздухонагреватель (рисунок 6) представляет собой цилиндр диаметром 8-12 м и высотой 40-50 м, который сверху закрыт полусферическим куполом, а снизу плоским днищем, закрепленном в фундаменте анкерами. Кожух выполняется сварным из низколегированных конструкционных сталей толщиной 20-30 мм и хорошо герметизирован.

Кожух защищают от воздействия  высоких температур многослойной огнеупорной  кладкой (радиальными стенами). Она  состоит из нескольких слоев: внутренний выполняется из плотного высокоогнеупорного материала, тип которого зависит  от температурных зон (динас, муллито-кремнеземистые огнеупоры, шамот), далее следует теплоизоляционный слой (шамот – легковес, динас - легковес) и слой, компенсирующий температурное расширение кладки при ее разогреве (муллито-кремнеземистые маты). Для снижения тепловых потерь и обеспечения независимости расширения кладки купола и стен, толщина радиальных стен в верхней части увеличена, а купол опирают на дополнительные стены.

1 - днище; 2 - огнеупорная кладка днища; 3 - колонна; 4 - решетка; 5 - насадка; 6 - вертикальная стенка; 7 - камера горения; 8 - подкупольное пространство; 9 - люки; 10 - кожух; 11 - штуцер газовой горелки; 12 - штуцер клапана холодного дутья; 13 - лазы

Рисунок 6 - Общий вид воздухонагревателя с внутренней камерой горения

 

Основными повреждениями  и дефектами кожуха воздухонагревателей  в большинстве случаев являются: перегревы верхней части купола, места перехода от купольной к  цилиндрической части, штуцеров горячего дутья и газовой горелки; трещины вертикальные и горизонтальные в различных частях кожуха; разрывы анкеров и подъем днища.

В них по трещинам попадают горячие газы и, циркулируя, создают  устойчивую зону высоких температур. В старых конструкциях в компенсационных слоях применялась засыпка (мертель, крошка, гранулированный шлак), которая выдувалась или оседала, что часто приводило к перегревам, покраснениям кожуха и его выпучиваниям, особенно в верхней части воздухонагревателя. Применяемые в настоящее время вермикулитовые (до 600 °С), каолиновые и муллито-кремнеземистые (от 600 °С до 1100 °С) маты создают более надежное уплотнение. Значительно улучшаются условия службы кожуха после его торкретирования. Прочный слой торкрет-бетона толщиной 80 мм наносят на металлическую сетку, закрепленную на кожухе. Он защищает кожух при малых продувах кладки и улучшает общую теплоизоляцию.

Трещины в кожухе возникают  от чрезмерного давления на него кладки при недостаточной величине компенсационных  слоев, а также при дефектах самого кожуха (переломы в швах, смещение торцов стыкуемых листов, выпучины и вогнутости, подрези, раковины и т.п.). Недостаточная величина компенсационных слоев приводит в период начального разогрева воздухонагревателя к большим горизонтальным распорным усилиям кладки на кожух, а вертикальный рост кладки создает за счет сил трения большие вертикальные усилия, что часто является причиной обрывы анкеров, крепящих воздухонагреватель к фундаменту, и подъема днища кожуха до периферии, который иногда достигает 60-100 мм и является причиной возникновения в этом месте трудно устранимых трещин. Имеется много предложений по ликвидации разрыва анкеров, однако наиболее целесообразное - применение компенсационных слоев достаточной толщины из каолиновых матов, которые имеют не только лучшую эластичность, но и меньший коэффициент трения. Эффективен также способ, применяемый на заводе "Азовсталь"; с появлением больших напряжений в кожухе при разогреве (температура купола 800 °С -900 °С) периодически наполнять воздухонагреватель дутьем, что способствует "проскальзыванию" кладки по кожуху.

 

3.2 Камера горения

 

Внутреннее пространство воздухонагревателя состоит из камеры горения и камеры насадки, разделенных вертикальной стеной, подкупольного и поднасадочного пространства. Последнее соединено с трубопроводом холодного дутья, с помощью патрубка с шибером холодного дутья, а также с дымовым боровом посредством двух дымовых патрубков с клапанами. Обычно нижняя часть камеры горения на высоту 2-4 м заполняется боем кирпича и не используется. Выше этой границы устанавливают газовую горелку. На практике используют, в основном, два типа горелок: металлическая типа труба в трубе и керамическая с раздельным подводом газа и воздуха в камеру горения.

Воздух на горение подают с помощью индивидуального вентилятора  или системы централизованной подачи воздуха с помощью одного мощного  вентилятора, иногда с очисткой воздуха  от пыли.

Для отбора горячего дутья  в средней части камеры горения  установлен штуцер горячего дутья с  шибером, соединенный с фурмами  доменной печи посредством прямого  и кольцевого воздухопроводов.

В период нагрева с помощью  газовой горелки сжигают топливо (природно-доменную или коксодоменную смесь) в камере горения. Образующиеся продукты горения поднимаются вверх по камере горения, проходят подкупольное пространство и под действием тяги дымовой трубы и давления газовоздушной смеси устремляются вниз по каналам насадки. Проходя по этим каналам, продукты горения отдают тепло насадочному огнеупору, нагревая его. Температура продуктов горения на входе в верхнюю насадку поддерживается постоянной и она составляет 1300 °С - 1450 ^оС (в зависимости от типа применяемых огнеупоров). На выходе же из насадки их температура увеличивается от 100 °С - 150 ^оС в начале нагрева и до 350 °С - 450 ^оС – в конце его. Затем продукты горения проходят через поднасадочное пространство, дымовые патрубки, боров и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

В период нагрева шиберы холодного и горячего дутья закрыты, а шибер газовой горелки и дымовые клапаны открыты.

В камере горения происходит сгорание газа, подаваемого через  горелку. Температура в объеме камеры возрастает снизу вверх и после  полного сгорания газа (1/3 - 1/2 высоты) становится максимальной, сохраняясь практически постоянной до входа в насадку.

 

1 - круглая; 2 - сжатый круг; 3 - эллипсообразная; I - трещины; II - области повреждения насадки

Рисунок 7 - Места наиболее часто встречающихся повреждений во внутренних камерах горения различных форм.

 

Внутренние камеры горения  отделены от насадки разделительной стеной и имеют в сечении разные формы (рисунок 7), из которых наиболее распространены круглая и эллипсообразная. Круглая камера горения имеет две независимые концентрические стены, примыкающие одной стороной (без перевязки) к радиальной стене. Острые углы в месте примыкания стен заполнены кладкой. У эллипсообразных камер горения наружная стена выполняется вперевязку с радиальной стеной, а внутренняя имеет независимую кладку.

В более трудных условиях находится внутренняя стена камеры горения. У динасовых воздухонагревателей в верхней части она выполнена из динаса, а в нижней, где наблюдается колебание температур и динас вследствие его слабой термостойкости ставить нельзя, - из алюмо-силикатных огнеупоров (типа МКВ-72). Наружная стена в верхней части выполнена также из динаса, далее из МКВ-72 и в самой нижней его части - из каолина (ШВ-42). Толщина обеих стенок чаще всего по 345 мм. Для свободного расширения при разогреве между ними оставляется зазор, больший в динасовой и меньший в алюмосиликатной частях кладки.

Особенностью воздухонагревателей  с внутренней камерой горения является совместное расположение в одном объеме и камеры горения и камеры насадки. Обе камеры работают в разных условиях и имеют разные температуры, что приводит к несовпадению расширений кладки в разных частях воздухонагревателя и является основной причиной большинства повреждений (рисунок 7).

Наличие высокой боковой  камеры горения внутри воздухонагревателя обусловливает три основные группы нарушений в его работе:

1) наклон камеры горения  в сторону насадки и образование  трещин («короткого замыкания») в  ее кладке;

2) деформация камеры горения вследствие ползучести огнеупоров (крипа);

3) пульсации горения.

3.3 Купол

 

Купол воздухонагревателя перекрывает  большое пространство в зоне высоких  температур и от его стойкости  во многом зависит срок службы всего  аппарата.

Футеровку купола высокотемпературных  воздухонагревателей в настоящее  время выполняют, как правило, из динаса. Основной слой из динаса изолируют динасом-легковесом и шамотом-легковесом. Кожух купола торкретируют, а между торкрет-бетоном и изоляцией располагают компенсационный слой из каолиновых матов или ваты.

В воздухонагревателях с  внутренней камерой горения старых конструкций кладка купола опирается на кладку радиальных стен. Стены очень высокие и после разогрева они существенно удлиняются. Чтобы кладка купола не упиралась в кожух, между ними оставляют пространство для свободного роста (400-500 мм). При переходах с дутьевого периода на газовый и обратно в этот объем проникает горячее дутье, что приводит к постепенному выдуванию мертеля из кладки. С ухудшением газоплотности кладки и образованием трещин в куполе возникает циркуляция газов между свободным объемом и подкупольным пространством и появляются сильные перегревы кожуха с покраснениями металла. Для устранения таких повреждений после разогрева в свободный объем между кладкой и кожухом закачивают раствор из мертеля и асбестита.

Опора купола на радиальные стены приводит к перекосу его  кладки и образованию трещин. Радиальные стены по периметру имеют неодинаковую температуру - в месте примыкания камеры горения она выше, в остальной части ниже, но тоже неодинакова вследствие неравномерного распределения продуктов горения по насадке. Разные температуры вызывают разный рост кладки по периферии купола и появление сдвигов и трещин (шириной до 60-80 мм). Трещины, как правило, распространяются в радиальные стены и являются одной из основных причин перегрева купольной части кожуха.