Воздухонагреватели

1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – насадка; 4 - штуцер горячего дутья; 5 – купол;6 –форкамера; 7 – кожух; 8 - футеровка выполненная независимо от футеровки купола; 9 - самостоятельная опора; 11 - канал для прохода газа; 12,13 – каналы для прохода воздуха; 14,15 - внутренние коллекторы; 16,17 – штуцера подвода газа и воздуха.

Рисунок 12 – Воздухонагреватель конструкции Калугина.

 

Закрутка струй газа и  воздуха в форкамере (рис. 13) обеспечивает весьма интенсивное и равномерное сжигание газа, которое заканчивается в средней части купола, до входа в насадку. Оптимальная степень закрутки потока определена экспериментально и подтверждается расчётом, при этом неравномерность распределения продуктов сгорания по насадке не превышает ±3-5%.

 

 

Рисунок 13 – Закрученный  поток газов в форкамере воздухонагревателя Калугина

 

Для ВНК разных мощностей  распределение струй может быть различным. Исследования на действующих воздухонагревателях показали, что при концентрации кислорода (O₂) в отходящем дыме 0,3-5,1% и работе на полной тепловой мощности струйно-вихревая горелка обеспечивает концентрацию оксида углерода (СО) 0,0016%, что составляет около 20 мг/м³, то есть в 5 раз меньше европейских норм (рис. 14). Эта горелка работает лучше, чем широко распространённая щелевая керамическая горелка фирмы DME (Германия).

 

Рисунок 14 – Зависимость  концентрации оксида углерода (СО) в отходящем дыме от концентрации кислорода

Для ВНК каждой доменной печи форкамерная горелка рассчитывается индивидуально, выбираются оптимальное количество сопел, их расположение, скорости газа и воздуха и степень закрутки потоков. На основе этих данных строятся картины выгорания газа, распределения температур и потоков, выполняется проект огнеупорной футеровки и кожуха.

Пример результатов расчёта  форкамерной горелки показан  на рисунке 15. Здесь видно, что горение газа начинается в форкамере и заканчивается в верхней части купола, так что при входе в насадку имеется практически полное сгорание газа с содержанием оксида углерода. При движении газа по насадке происходит его дожигание, и на выходе из ВНК концентрация оксида углерода (СО) не превышает 20 мг/м³. Таким образом, форкамерная горелка за счёт струйной подачи газа и воздуха и закрутки потоков обеспечивает весьма интенсивное их смешение и быстрое сгорание газа

 

Рисунок 15 – Положение зоны горения газа в ВНК.

Концентрация оксида углерода (СО) дана по компьютерному расчёту при работе с полной тепловой мощностью

Закрутка струй газа и  воздуха в форкамере воздухонагревателя Калугина обеспечивает равномерность их сжигания и дальнейшего распределения продуктов горения по насадке (рис. 16) и не требует настройки горелки перед пуском в эксплуатацию. Огнеупорная футеровка большей части ВНК довольно проста – исключение составляет форкамера.

 

1 – воздухонагреватель  с внутренней камерой горения; 2 – воздухонагреватель с наружной камерой горения (типа Дидье-Верке);  3 – воздухонагреватель Калугина. Рисунок 16 – Распределение скоростей продуктов горения на входе в насадку

В воздухонагревателях Калугина отсутствуют прямой удар факела в  кладку и её местный перегрев, что  обеспечивает симметричное распределение  температур по куполу, насадке, футеровке  и кожуху, вследствие чего снижаются  температурные напряжения и улучшается стойкость ВН. Как показали измерения, общий  уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900ºС), а перепады температур кладки между газовым и дутьевым периодами близки к перепадам температур в кладке горелок первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой на ДП №4 ОАО «НТМК», который без капремонта эксплуатируется с 1982 года и находится в хорошем состоянии. Это позволяет определить длительный срок службы кладки форкамеры, то есть срок службы воздухонагревателя будет определяться стойкостью динасового купола, которая достигает 30 лет. Конструкция самого купола также способствует увеличению срока  его службы при высоких температурах, так как широкая часть сферы  над насадкой переходит в коническую часть, далее – в узкую горловину, и завершается куполом горелки, который имеет значительно меньший  радиус и работает при более низких температурах. Диаметр купола ВНК, имеющего независимую опору его кладки на кожух, по сравнению с типовым  воздухонагревателем увеличивается  незначительно, и поэтому воздухонагреватели Калугина хорошо вписываются в существующие габариты блоков при их реконструкции  в бесшахтном варианте.

На первых бесшахтных ВН отсекающие клапаны газа и воздуха устанавливались в районе купола. В настоящее время разработаны новые компоновочные и технологические решения, при которых всё основное оборудование блока ВНК (клапаны горячего дутья, отсекающие и регулирующие клапаны газа и воздуха) размещается либо на существующих площадках внизу, либо на новых площадках в районе верхней части кожуха. Как правило, всё оборудование располагается на одной стороне блока воздухонагревателей, что уменьшает площадь для его размещения. Технологическое оборудование ВНК обслуживается подъёмно-транспортным оборудованием, установленным в здании блока. В целом эксплуатация ВНК практически не отличается от эксплуатации обычных воздухонагревателей.

 

4.1 Составные части

 

На первых бесшахтных воздухонагревателях основное оборудование располагалось в районе купола, что усложняло конструкцию блока и затрудняло эксплуатацию. Сейчас разработаны схемы, когда всё основное оборудование (шибер горячего дутья, отсекающие и регулирующие по газу и воздуху) располагаются на существующих рабочих площадках и эксплуатация бесшахтных воздухонагревателей будет мало отличаться от эксплуатации обычных воздухонагревателей. Это снимает одно из основных возражений по применению бесшахтных воздухонагревателей.

Специально для бесшахтных воздухонагревателей были разработаны насадки с диаметром канала 30 мм в двух вариантах: цилиндрический канал (поверхность нагрева 48,7 м²/ м³), при котором коэффициент теплоотдачи насадки в 1,5 раза выше. Оба эти типа насадки изготавливаются в шестигранных блоках с 19 полными отверстиями. Блоки обоих типов насадок перевязываются друг с другом, так что по высоте разные участки насадки могут выкладываться из разных блоков, образуя общую комбинированную насадку. 

За счет поверхности нагрева  и высокого коэффициента теплоотдачи  этих насадок, а также устранения камеры горения высота насадки значительно  снижается (на 40- 50 %). При сохранении тепловой мощности воздухонагреватель становится малогабаритным и достигается  существенная экономия огнеупорных  материалов (до 50 %) по сравнению с  обычными воздухонагревателями. То есть, вместо одного обычного воздухонагревателя может быть построено 2 бесшахтных.

 

4.2 Достоинства воздухонагревателя Калугина

Исследования ВНК показывают, что за счёт устранения камеры горения  и уменьшения габаритов бесшахтные воздухонагреватели имеют коэффициент полезного действия на 2-3% выше, чем обычные воздухонагреватели.

ВНК позволяют работать с  подогревом газа и воздуха горения  до 600ºС. Это даёт возможность достичь  температуры горячего дутья до 1400ºС при сжигании одного доменного газа с теплотой сгорания до 3000 кДж/м³ (около 720 ккал/м³ в пересчёте на сухой газ). На практике ВНК уже работают с подогревом газа до 200ºС и воздуха горения до 570ºС.

Применение утилизации дымовых  газов и подогрева газа и воздуха  позволяет получить технологические  преимущества за счёт снижения расхода  кокса и увеличения производительности доменных печей, а также существенные выгоды по экологии благодаря уменьшению тепловых выбросов (снижение температуры  дыма, выбрасываемого в атмосферу) и  уменьшению выбросов CO₂ (замена добавок газа с высокой теплотой сгорания на физическое тепло).

За счёт улучшения условий  службы для огнеупоров в ВНК при  использовании широко применяемых  огнеупорных материалов (динас, муллитокорунд, шамот) можно получить температуру горячего дутья до 1400ºС, что невозможно при других конструкциях ВН. Это даёт возможность перейти в доменном производстве на новый уровень нагрева дутья – до температур 1300-1400ºС.

Значительное снижение капитальных  затрат и большая экономия на ремонтах благодаря увеличению межремонтного  срока службы, возможность увеличения температуры нагрева дутья на 100-200ºС и возможность размещения бесшахтных воздухонагревателей на месте существующих с установкой типового основного оборудования на существующей рабочей площадке, малое гидравлическое сопротивление и работа без пульсаций с весьма низким содержанием вредных выбросов в дыме дают воздухонагревателям Калугина значительные преимущества по сравнению с существующими аппаратами и определяют их как наиболее перспективную конструкцию высокотемпературных воздухонагревателей.

Достоинства воздухонагревателей Калугина:

1. обеспечивается очень хорошее сжигание газа: совместные измерения с фирмой “EKO-Stahl” (ФРГ) позволили определить, что в отходящем дыме при весьма широком изменении концентрации кислорода (О₂) 0,3-5,1 % концентрация монооксида углерода (СО) постоянна и составляет 0,0016 % (20 мг/м³), что в 5 раз меньше допустимых норм для ФРГ;
2. «короткое замыкание» в этих воздухонагревателях исключено и на весь период эксплуатации он остается весьма экологически «чистым»;
3. сопротивление воздухонагревателя невелико и для его работы на полных нагрузках достаточно давления газа перед горелкой около 300 кПа;
4. пульсирующее горение полностью отсутствует на всех режимах работы; 
5. отсутствует прямой удар факела в кладку и её местный перегрев, что обеспечивает симметричное распределение температур по куполу, насадке, футеровке и кожуху, вследствие чего снижаются температурные напряжения и должна улучшится стойкость воздухонагревателя;
6. общий уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900 С), а перепады температур кладки между газовым периодом близки к перепадам температур в кладке горелок первого воздухонагревателя с кольцевой форкамерой, которые без ремонта эксплуатируются уже 18 лет и находятся в хорошем состоянии. Это позволяет определить более длительный срок службы кладки форкамеры, чем кладки основного купола. То есть, безремонтный срок службы таких воздухонагревателей также будет определяться стойкостью динасового купола, которая достигает 30 лет;
7. конструкция самого купола обеспечивает большой срок его службы, так как широкое пространство над насадкой перекрывается куполом форкамеры, которая имеет малый радиус и работает при низких температурах;
8. за счет устранения камеры горения и уменьшения габаритов бесшахтные воздухонагреватели имеют коэффициент полезного действия на 2-3 % выше по сравнению с обычными воздухонагревателями.

 

 

Заключение

 

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.

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.

Для устранения этих недостатком было предложено размещение камер сгорания непосредственно над насадкой с использованием для уменьшения объема камеры беспламенных горелок.

Значительное снижение капитальных  затрат и большая экономия на ремонтах за счет увеличения межремонтного срока  службы, возможность увеличения температуры  нагрева дутья на 100 °С - 200 ⁰С и возможность размещения бесшахтных воздухонагревателей на месте существующих при установке основного (типового) оборудования на существующей рабочей площадке, малое гидравлическое сопротивление и работа без пульсаций с весьма низким содержанием вредных выбросов в дыме дают воздухонагревателям Калугина значительные преимущества по сравнению с существующими аппаратами и определяют их как наиболее перспективную конструкцию высокотемпературных воздухонагревателей.

 

Список использованных источников

 

1 Доменные воздухонагреватели (конструкции, теория, режимы работы). Шкляр Ф.Р., Малкин В.М., Калугин  Я.П. – М.: Металлургия, 1982.

2 Теория, конструкции и  расчеты металлургических печей.  Том 2. Мастрюков Б.С. – М.: Металлургия, 1986.

3 Машины и агрегаты  металлургических заводов. Том  1. Машины и агрегаты доменных  цехов. Целиков В.И., Полухин П.И. – М.: Металлургия, 1987.

4 Высокотемпературный нагрев  воздуха в черной металлургии.  Лемних И.М., Гордин В.А. – М.: Металлургия, 1963.

5 Теплоэнергетика доменного  производства. Ницкевич Е.А. – М.: Металлургия, 1966.

6 Металлургия чугуна. Вегман Е.Ф. и др. – М.: Металлургия, 1989.

7 Справочник мастера доменщика. Островский М.Я., Шпаблер Л.Я. – М.: Металлургия, 1977.

8 Доменное производство. Справочник, том 2.Под редакцией  академика Бардина И.П. – М.: Металлургиздат 1963.