Воздухонагреватели

метки: Доменный, Воздухонагреватель, Нагреватель, Воздух, Дутье, Нагрев, Температура, Расход

В последнее время существенно выросла производительность доменных печей, постоянно снижается расход кокса — наиболее дорогого компонента доменной шихты. Эти результаты явились следствием комплекса мероприятий, называемых обычно методами интенсификации доменной плавки.

Воздухонагреватели работают циклически. В газовый период при закрытых клапанах холодного и горячего дутья и открытых дымовых и горелочным клапанах работает горелка и продуктами горения газа нагревается наседка, представляющая собой кладку с большим числом продольных каналов. Температура верхней части насадки достигает 1300 °С — 1400 °С, а нижней 300 °С – 400 °С. В дутьевой период при закрытых газовом и дымовом клапанах и открытых клапанах холодного и горячего дутья через насадку проходит и нагревается доменное дутье с давлением 3-10 Па. Для непрерывного снабжения доменной печи дутьем необходимо минимум два воздухонагревателя. Обычно для одной печи сооружают блок из 3-4 аппаратов, которые поочередно нагревают дутье.

Мощным толчком в технике нагрева дутья явилась интенсификация доменной плавки путем подачи в горн природного газа, мазута и других заменителей кокса, начавшаяся с 50-х годов. Для сохранения в горне печи высоких температур необходимо было существенно повысить температуру дутья.

Основными путями интенсификации работы доменных воздухонагревателей являются: повышение температуры греющих газов путем добавки к доменному газу природного и коксового газов, мазута и подогрева газа и воздуха в рекуператорах; применение более стойких муллито- корундовых, динасовых и других огнеупорных материалов; использование насадок с большой поверхностью нагрева; модернизация оборудования и улучшение режимов работы; совершенствование приборов контроля и управления.

1 Нагрев дутья как метод интенсификации доменного процесса

Нагрев дутья является эффективным средством интенсификации плавки. Температура дутья для отечественных печей непрерывно повышается. Так, средняя температура дутья в 1964,1970 и 1986 годов соответственно составила 930 °С, 1009 °С и 1099 ⁰ С. Первые исследования нагрева дутья относятся к концу XVIII века. В 1828 году Дж. Нельсон получил патент на нагрев дутья в воздухонагревателе, а в 1829 году применил горячее дутье на заводе «Клайд» в Шотландии. Тепло дутья заменило тепло, выделяющееся при горении топлива у фурм, что позволило сэкономить горючее. В результате нагрева воздуха до 149 °С расход горючего снизился с 8,06 до 5,16 т/т чугуна при росте суточной производительности печи с 15,7 до 23 тонн. При этом на нагрев воздуха затрачивалось топлива всего 0,4 т/т чугуна. Таким образом, уже первый опыт использования нагрева дутья показал позднее многократно подтвержденный вывод, что дутье сберегает больше тепла, чем само вносит.

Проект доменной печи производительностью 7000 т передельного чугуна в сутки

... производства чугуна и недостатком коксующихся углей – особенно остро стоит вопрос о снижении расхода кокса в доменных печах. Повышение температуры дутья ... дутья не только дает возможность работать с высоким нагревом дутья, но и позволяет устранить влияние колебаний атмосферной влажности на нагрев печи, ... чугуна заданной марки и нормальную работу печи. В доменном цехе и на аглофабриках в основном ...

В 1831 году температуру дутья подняли до 316 ⁰ С, но экономия топлива в расчете на дополнительные 100 ⁰ С нагрева оказалась меньше, чем прежде. Дальнейший опыт показал, что при большом разнообразии конкретных величин экономии горючего общая тенденция в изменении расхода топлива сохраняется: с ростом температуры дутья экономия топлива снижается (рисунок 1).

Рисунок 1 — Зависимость расхода кокса от температуры дутья

Увеличение производительности печей было связано с ростом рудной нагрузки из-за вывода части кокса из подачи. М. А. Павлов указывал, что если мощность воздуходувных машин достаточна, то доменная печь, получая ту же массу дутья, дает чугуна больше на столько, на сколько увеличилась сыпь в колошу, и в процентах производительность возрастает на столько же, на сколько уменьшился расход горючего.

Первые попытки объяснения влияния нагрева дутья относятся к 70-м годам XIX века и принадлежат Л. Беллу, Л. Грюнеру и Р. Окерману. В последующие годы большой вклад в изучение этой проблемы внесли М. А. Павлов, А. Д. Готлиб и другие отечественные ученые. Л. Белл и Л. Грюнер при составлении тепловых балансов отметили, что по мере сокращения расхода кокса уменьшается и количество дутья на единицу чугуна, поэтому количество тепла, получаемое доменной печью от нагрева дутья, с повышением температуры (при постоянной теплоемкости дутья) не пропорционально температуре. Расчеты Л. Белла приведены в таблице 1:

Таблица 1 – Расчеты Л. Белла

Расход углерода, сгорающего у фурм, кг/кг чугуна	0,90	0,85	0,80	0,75
Расход дутья, требуемого для сгорания углерода, кг/кг чугуна	5,22	4,93	4,64	4,35
Тепло сгорания углерода, М . Дж	15,6	14,8	13,9	13,0
Тепло дутья, М . Дж	2,49	3,28	4,16	5,04
Приход тепла в печь, М . Дж	18,1	18,1	18,1	18,1
Необходимая температура дутья, °С	465	669	900	1163
Увеличение температуры дутья, °С	—	204	231	263

В результате снижения количества дутья на единицу чугуна обеспечение одной и той же экономии горючего (0,05 кг/кг) требует постоянного увеличения прироста температуры дутья. Так, если для снижения расхода углерода, сгорающего у фурм, от 0,90 до 0,85 кг/кг чугуна требуется повысить температуру дутья на 204 °С, то для снижения расхода углерода, сгорающего у фурм, с 0,80 до 0,75 кг/кг чугуна требуемый прирост температуры дутья составляет уже 263 °С. Как отмечал М. А. Павлов, расчеты Л. Белла не совсем точны (приняты постоянными степень использования химической энергии газа, потребность в тепле на единицу чугуна и т. д.), но тенденция, выявленная расчетом, правильна. При повышении температуры дутья необходимо учитывать снижение экономии горючего, если параллельно не предприняты компенсационные меры, например использование углеводородов и пр.

Нагрев дутья существенно влияет на ход доменной плавки: производительность печи увеличивается, температура колошникового газа снижается, так как с увеличением нагрева дутья и сокращением расхода кокса в шихте для верхней зоны доменной печи растет. При неизменной же рудной нагрузке температура колошника не меняется, а тепло дутья расходуется на перегрев продуктов плавки, восстановление трудновосстановимых оксидов и др. Снижается величина тепловых потерь, так как при сокращении расхода горючего производительность доменной печи увеличивается.

Использование нагрева дутья позволяет покрыть затраты тепла на восстановление трудновосстановимых оксидов. В связи с этим особенно эффективно применение высоконагретого дутья для выплавки ферросплавов. Повышение нагрева дутья вызывает изменение размеров верхней, резервной и нижней ступеней теплообмена. Зона пониженных температур увеличивается, положение горизонта шлакообразования изменяется. Снижение количества газа обеспечивает более эффективное использование не только его тепловой, но и химической энергии. Однако уменьшение протяженности зоны непрямого восстановления противодействует этому, поэтому трудно оценить суммарное влияние температуры дутья на процессы восстановления.

Исходя из этих изменений, в ходе процесса становится понятным сбережение дутьем большего количества тепла в печи, чем оно само вносит. Кроме непосредственной «теплотехнической» экономии, кокс дополнительно сберегается в результате снижения температуры и потерь тепла колошниковым газом, уменьшения расхода тепла на расплавление шлака, удаление серы и др. Следует также иметь в виду, что топливо в воздухонагревателе сжигается по формуле полного сгорания углерода, а в доменной печи — лишь в соответствии с достигнутой степенью непрямого восстановления.

Экономию кокса при нагреве дутья М.А. Павлов предложил рассчитывать по формуле (1)

, (1)

где Е – экономия кокса, %;

V _д – объем дутья, м³ /кг чугуна;

С _д – теплоемкость дутья, кДж(м³ К);

Δt _д – изменение температуры дутья, К;

k _t — тепловой к.п.д. печи;

• W — величина общего теплового баланса, кДж/кг чугуна;
• ±Q — алгебраическая сумма разностей статей расхода тепла при более и менее нагретом дутье, кДж/кг чугуна.

Анализ зависимости показал, что эффективность нагрева дутья тем выше, чем ниже k _t т. е. чем менее совершенна тепловая работа печи. Это положение, известное в литературе как принцип Окермана-Павлова, М. А. Павлов трактовал более широко: «всякая причина, вызывающая снижение расхода тепла на процесс, действует тем сильнее, чем менее эффективна тепловая работа печи».

Формула Павлова дает хорошую сходимость с практическими данными при очень высоком значении Δt, т. е. когда теплообмен в нижней зоне печи далек от завершения (Δt — разница температур между шихтой и газом в зоне замедленного теплообмена).

При завершенном теплообмене в нижней зоне печи целесообразно вести расчет, исходя из разделения печи на верхнюю и нижнюю зоны теплообмена. Тепло нагретого дутья при наличии четко выраженной резервной зоны полностью используется на нижней ступени теплообмена и поэтому экономия горючего в основном определяется тепловым балансом этой ступени.

При повышении температуры дутья увеличиваются требования к фракционному составу шихты, поскольку в этих условиях снижается газопроницаемость слоя, так как при повышении нагрева дутья возрастают объем и давление газов в горне, т. е. увеличивается давление газов снизу, затрудняющее плавный сход шихты. Это вызывает дальнейшее повышение давления и затруднения в сходе шихты.

Расход кокса вследствие повышения нагрева дутья уменьшается, т. е. его объемная доля в шихте сокращается, а объемная доля рудных материалов увеличивается. Поскольку газопроницаемость кокса выше, чем рудной части шихты, то газопроницаемость слоя шихты при выводе кокса ухудшается.

Таким образом, достижение высоких температур дутья связано с определенными мероприятиями, главным образом с улучшением качества шихтовых материалов и особенное их восстановимостью и сохранением прочности при восстановлении.

Проведенные расчеты показали, что в настоящих условиях дальнейшее повышение температуры дутья по-прежнему является эффективным средством интенсификации доменной плавки. Опыт комбината «Азовсталь» в период 1959-1971годы показал, что повышение средней температуры дутья в доменном цехе с 838 ⁰ С до 1181 ⁰ С, т. е. на 343 ⁰ С, привело к снижению расхода кокса на 8,4% или 2,6% на каждые дополнительные 100 ⁰ С нагрева дутья. Роль нагрева дутья особенно возросла с использованием углеводородов, приводящих к снижению температуры горна печи.