Технологии » 2012 » Февраль » 16 » Металлургическая теплотехника. Печи.
20:01
Металлургическая теплотехника. Печи.
Классификация печей
 
Классификация печей по принципу теплогенерации

Генерация теплоты в печи происходит путем превращения химической или электрической энергии в теплоту.
В зависимости от источника тепловыделения печи делятся на топливные, автогенные и электрические.
 

Топливные печи

В топливных печах источником теплоты является химическая энергия твердого, жидкого или газообразного топлива.
Теплота выделяется в результате сгорания топлива.
Теплоносителями являются газообразные продукты сгорания топлива – дымовые газы.
Топливные металлургические печи подразделяются на два класса: пламенные и слоевые.

Рабочее пространство пламенных печей в малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который располагается на поду.
Основной объем рабочего пространства заполнен пламенем и дымовыми газами, передающими теплоту материалу.
Современные пламенные печи работают на газообразном или на жидком топливе - мазуте.

Для сжигания газообразного топлива служат горелки, для сжигания мазута – форсунки.
К классу пламенных печей относятся сталеплавильные (мартеновские) печи, печи для плавки медных концентратов на штейн, печи для рафинирования меди, разнообразные печи прокатного и кузнечно-прессового производства: нагревательные колодцы, методические, кольцевые, роликовые печи, печи с выкатным подом, вращающиеся трубчатые печи для обжига сыпучих материалов.

Известны три разновидности слоевых топливных печей: с плотным, "кипящим" и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

В вертикальных шахтных печах с плотным слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена по всему объему печи и медленно опускается сверху вниз.
Горячие газы – продукты горения топлива – движутся через слой между кусками шихты снизу вверх, т.е. в противотоке.
Шахтные печи с плотным слоем шихты широко распространены в металлургии.
К ним относятся доменные печи, вагранки, печи для производства извести путем обжига известняка, печи никелевых и свинцовых заводов.

В печах с "кипящим" слоем под действием движущихся снизу вверх газов размельченная шихта, в состав которой может входить и размельченное топливо, разуплотняется.
Отдельные частицы шихты потоком газов поднимаются над слоем подобно кипящей жидкости.
Иногда вместе с воздушным дутьем снизу в печь подают газообразное топливо.
В цветной металлургии печи с «кипящим» слоем применяют для обжига сульфидных концентратов различных материалов, для сушки глинозема.

В печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния.
Каждая частица материала находится во взвешенном состоянии под действием потока газов, идущего снизу вверх, и движется вместе с потоком.
Применяют в этих печах размолотое и газообразное топливо.
Их используют в цветной металлургии для плавки сульфидов цветных металлов.
 

Автогенные печи

Источником теплоты в этих печах является тепловой эффект экзотермических реакций окисления и горения ряда элементов, содержащихся в обрабатываемых материалах.
В черной металлургии примером автогенных печей являются кислородные, сталеплавильные конвертеры и двухванные сталеплавильные печи.
В них при продувке жидкого чугуна кислородом происходит окисление углерода и ряда других элементов с выделением теплоты.
Этот процесс не требует расхода топлива.
В цветной металлургии при производстве материалов из сульфидного сырья основным источником теплогенерации является процесс выгорания серы, содержащейся в сульфидах.

В мартеновской печи, наряду с выделением теплоты сгорания топлива, происходит тепловыделение от окисления углерода и других элементов, содержащихся в жидкой ванне.
Такие печи занимают промежуточное положение между топливными и автогенными печами.
 

Электрические печи

По способу преобразования электрической энергии в теплоту можно выделить три класса печей, применяемых в металлургии: электродуговые, индукционные и печи сопротивления.

В дуговых печах используется принцип пропускания электрического тока через газовый промежуток между двумя электродами.
Под действием электрического напряжения газ между электродами ионизируется и становится электропроводным.
При этом в газовом промежутке возникает электрическая дуга, представляющая собой яркосветящуюся смесь электронов, положительных ионов, атомов и молекул. Дуга является зоной, в которой энергия электричества преобразуется в теплоту, при этом температура дуги составляет от 3000 до 20000 К.

В индукционных печах используется свойство переменного электрического тока создавать вокруг проводника переменное магнитное поле.
Если поместить в такое поле нагреваемое тело, являющееся проводником, то в нем будут индуктироваться вихревые токи.
Энергия вихревых токов преобразуется в теплоту, которая выделяется внутри нагреваемого тела.

Работа так называемых печей сопротивления основана на действии закона Джоуля-Ленца, согласно которому при протекании тока в проводнике выделяется теплота, пропорциональная его электрическому сопротивлению.
В печах сопротивления можно использовать постоянный и переменный ток.

В металлургии электрические печи применяют для выплавки стали, производства ферросплавов, для нагрева металла перед обработкой давлением и при термической и термохимической обработке металлоизделий.

Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы

По технологическому назначению металлургические печи разделяют на плавильные и нагревательные.


Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов.
В этих печах материалы, как правило, изменяют своё агрегатное состояние.
Плавильные печи могут быть чугуноплавильными, сталеплавильными, медеплавильными и т.д.

Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их агрегатного состояния.
Нагревательные печи применяют в металлургии для обжига огнеупорных изделий, известняка, магнезита, для сушки литейных форм, руды, песка, для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки металла с целью изменения его структуры и механических свойств.

По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и периодического (циклического) действия.

К печам непрерывного действия относятся рудовосстановительные дуговые печи, шахтные слоевые печи, печи "кипящего" и взвешенного слоя, туннельные печи для обжига огнеупорных изделий, трубчатые вращающиеся печи, такие печи прокатного производства, как методические печи с шагающими подом или балками, кольцевые и роликовые печи.
В этих печах технологический процесс идет непрерывно, материалы, как правило, перемещаются от загрузочных устройств к устройствам для выпуска готовой продукции.

К печам периодического действия относятся сталеплавильные дуговые и мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы, садочные камерные печи с выкатным и с неподвижным подом, применяемые в кузнечно-прессовом производстве и в термических цехах и отделениях.
Эти печи работают циклами. Цикл состоит из последовательных операций загрузки шихты или изделий, их тепловой обработки и затем выпуска или выгрузки готовой продукции.
Между циклами проводят подготовительные и текущие ремонтные работы, как, например, заправка подины мартеновской печи или нагревательного колодца, разогрев печи перед началом следующего рабочего цикла.
 
Топливо и его сжигание в печах
 
Преобразование химической энергии топлива в теплоту происходит в процессе горения, который представляет собой цепную реакцию окисления горючих элементов топлива.
Продукты горения топлива в печах должны быть газообразными и безвредными для человека и природы.
До недавнего времени считалось, что этим требованиям удовлетворяют два химических элемента – углерод (С) и водород (Н), а также их химические соединения – углеводороды.
К настоящему времени выяснилось, что безвредным топливом является только водород, в результате горения которого образуются пары воды.
 
Теплота сгорания
Это наиболее важная характеристика топлива.
Теплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании единицы топлива.
Для твердого и жидкого топлива такой единицей служит 1 кг, для газообразного – 1 м3 при нормальных условиях.
Единица измерения теплоты сгорания – Дж/м3 или кратные единицы кДж/кг, кДж/м3, МДж/кг. МДж/м3.
Используют также внесистемную единицу ккал/кг и ккал/м3 (1 ккал = 4,187 кДж).

Твердое и жидкое топливо содержит следующие элементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), серу (S), а также золу (A) и влагу (W).
Содержание каждого элемента измеряется в % массы.
Различают органическую, горючую, сухую и рабочую (влажную) массу топлива.

Газообразное топливо состоит из смеси газов, содержание которых измеряют в % объема.
Различают составы сухого и влажного (рабочего) газа.
Теплоту сгорания обычно относят к 1 м3 влажного (рабочего) газа и к 1 кг влажного (рабочего) твердого и жидкого топлива.
Её обозначают Qp.
 
Основные виды топлива для металлургических печей
 
Условное топливо
Кокс – твердое топливо для доменных печей - производится на коксохимических предприятиях путем термической обработки (коксования) каменного угля в коксовых печах (батареях).
Каменный уголь нагревают до 800 °С без доступа воздуха, при этом из него выделяются смолы, газообразные вещества (летучие), и в печи остается кокс – твердый остаток в виде отдельных кусков.
В органической массе кокса содержатся Со= 96,5-97,5%; Но= 0,5-0,8%; Оо= 0,3-0,4%; в горючей массе есть сера Sг= 0,5-1,5%.
Теплота сгорания кокса зависит от количества золы и влаги.
В среднем она равна 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Газообразные вещества, выделившиеся при коксовании, также используются в качестве топлива, которое называют коксовым газом.
Теплота сгорания составляет в среднем 17 МДж/м3 (∼ 4000 ккал/м3).

Природный газ поступает на предприятия с помощью компрессорных установок по газопроводам.
Он содержит 92-98% метана (СН4) и имеет высокую теплоту сгорания 33-38 МДж/м3, а в среднем его Q= 35 МДж/м3 (8300 ккал/м3).

Наиболее бедным газообразным топливом является доменный газ, который получают при выплавке чугуна.
В его составе только третья часть объема содержит горючие вещества, в основном СО.
Состав сухого доменного газа следующий: СОс= 28,5-29,5%; СН4= 0,1-04%; Н2= 1,3-2,5%; СО2= 10-11%; N2= 58-59%.
Он имеет низкую теплоту сгорания 3,5-4,0 МДж/м3 (850-950 ккал/м3).

Основной вид жидкого металлургического топлива – мазут.
Это продукт перегонки нефти. Его привозят на металлургические предприятия с нефтеперегонных заводов в железнодорожных цистернах, из которых сливают в цеховые мазутохранилища.
По содержанию горючих веществ мазут относится к богатым видам топлива.
 
Температура горения топлива
Если бы вся теплота, которая выделяется при полном сгорании топлива, шла только на нагрев образующихся продуктов сгорания, то они могли бы нагреться до максимальной для данного топлива температуры, которую называют калориметрической.
По этой условной температуре, которую определяют расчетным путем, судят, пригодно ли данное топливо для применения в данной печи.
При этом учитывают, что действительная температура продуктов сгорания может достигнуть не более 65-75% калориметрической, так как часть теплоты сразу же при горении топлива отдается в печи продуктами сгорания нагреваемым материалам и огнеупорному ограждению (футеровке).
 
Условия воспламенения и взрываемости газообразного топлива
Для того, чтобы холодная смесь топлива с воздухом воспламенилась, нужен местный нагрев смеси до температуры воспламенения.
Температура воспламенения – это минимальная температура смеси, при которой развивается цепная реакция горения.
Температура воспламенения различных видов печного газообразного топлива в воздухе, при атмосферном давлении, составляет примерно 650-750 °С.
При зажигании топливо и воздух подают на запальники, которыми могут быть раскаленная футеровка, горящий факел, электрическая искра.
Газовоздушная смесь может воспламеняться, когда доля топлива в объеме смеси находится в определенных пределах. Дело в том, что в определенном интервале соотношений объема топлива и воздуха, а именно между нижним и верхним пределами воспламенения, возникают условия для протекания цепной реакции горения.

Наименьшее содержание горючего газа в смеси с воздухом, при котором смесь при начальной температуре 20 °С, загорается от источника огня называется нижним пределом воспламенения, наибольшее содержание горючего газа, при котором смесь загорается, - верхним пределом.

Для доменного газа нижний предел воспламенения составляет 40%, верхний – 70%, для коксового газа – соответственно 6% и 30%, для природного газа – 5% и 15%.
Содержание горючего газа в смеси с воздухом при полном сжигании топлива в печах и контролируемом избытке воздуха всегда находится в интервале между нижним и верхним пределами.
При обычном горении смесь горючего газа и воздуха не заполняет весь объем печи.
Горение происходит в месте встречи потоков газа и воздуха на выходе из горелки.
Вследствие разогрева дымовых газов до температуры горения их объем увеличивается по сравнению с объемом газовоздушной смеси.
Дым заполняет объем печной камеры, но при непрерывном удалении его из печи через дымоходы давление дымовых газов на ограждение печи незначительно отличается от атмосферного.

Если же замкнутый объем пространства, например, холодная печь или газопровод будут заполняться горючим газом, содержание которого в смеси с находившимся в печи или в газопроводе воздухом достигает предела воспламенения, может произойти взрыв.
Достаточно источника местного загорания смеси как вследствие детонации в доли секунды готовая для горения смесь воспламенится во всем объеме загазованного помещения.
Дымовые газы мгновенно разогреваются до температуры, близкой к теоретической.
Они стремятся увеличиться в объеме, чему препятствует ограждение печи или стенки газопровода.
Давление дымовых газов сразу же возрастает пропорционально росту их температуры, что и может вызвать разрушение печного ограждения или оболочки газопровода и привести к человеческим жертвам.

Особенно велика опасность взрыва при разогреве холодной печи после ремонта, пока температура её футеровки ниже температуры воспламенения, и горение газа вследствие этого неустойчиво.
При затухании факела печь может заполниться взрывоопасной смесью.
Аналогичная аварийная ситуация может возникнуть при заполнении газом газопровода после окончания ремонта.
Взрывоопасная смесь образуется вследствие перемешивания газа с воздухом, заполнившим газопровод во время проведения ремонтных работ.
По правилам безопасности в газовом хозяйстве металлургических предприятий, газопровод следует продуть паром или газом на свечу, прежде чем пустить газ в печь.
 
Горелки для сжигания газа
 
Важнейшим элементом топливной печи являются устройства для сжигания газа или мазута.
Устройства для сжигания газа называют горелками, для распыливания и сжигания мазута – форсунками.
И те и другие состоят из собственно горелки (форсунки) и огнеупорного горелочного туннеля, через который смесь воздуха и топлива поступает в печь.

Процесс сжигания топлива состоит из трех операций: смешивание топлива с воздухом, подогрев компонентов горения до температуры воспламенения и собственно химическая реакция горения.
Самая медленная операция – смешивание компонентов горения.
В зависимости от её организации различают конструкции газовых горелок с предварительным смешиванием газа с воздухом внутри корпуса горелки и без предварительного смешивания.

К горелкам с предварительным смешиванием относятся инжекционные.
В таких горелках воздух засасывается (инжектируется) в корпус под воздействием струи газа, выходящей с большой скоростью из газового сопла.
Эти горелки не нуждаются в вентиляторах, а при работе на холодном воздухе и в воздухопроводах.
К таким горелкам подводят только газ, их называют однопроводными в отличие от двухпроводных (или дутьевых) горелок, к которым подводят не только газ, но и воздушное дутьё по воздухопроводам.
В корпусе-смесителе горелки происходит предварительное смешивание газа с воздухом.
Газовоздушная смесь нагревается и сгорает в пределах длины горелочного туннеля.
В печи нет видимого пламени. Поэтому инжекционные горелки называют беспламенными.

Скорость выхода смеси из носика горелки в туннель должна быть больше скорости распространения пламени в готовой для горения смеси во избежание обратного «проскока» пламени в корпус горелки, что может привести к его прогару, если горелку своевременно не отключить.
«Проскоки» пламени при малых расходах газа делают узким диапазон регулирования расходов газа в этих горелках.
Подачу газа в горелку по сравнению с максимальной расчетной уменьшают не более, чем в 2-3 раза.
Во избежание «проскоков» нельзя подогревать воздух и газ до высокой температуры, близкой к температуре воспламенения.

Преимуществом инжекционных горелок является полное сжигание газа с небольшим коэффициентом расхода воздуха, близким к единице, вследствие хороших условий смешивания компонентов горения.
Смесь газа с воздухом образуется вне корпуса горелки, в туннеле и в рабочем пространстве печи.
По мере смешивания происходит горение в видимом факеле. Поэтому такие горелки называют факельными.

Горелки типа "труба в трубе" с почти параллельными потоками газа и воздуха отличаются длинным пламенем ввиду медленного перемешивания параллельных потоков.
Газовая труба расположена по оси горелки, воздух проходит по кольцевому зазору между наружной и внутренней трубами.
Эти горелки применяются для сжигания газов с низкой и с высокой теплотой сгорания.

Дутьевые горелки для сжигания природного газа низкого давления типа ГНП имеют улучшенное смешивание по сравнению с горелками "труба в трубе" и более короткий видимый факел.
С этой целью перед выходным отверстием для воздуха установлены лопатки для закручивания воздушного потока, а наконечник для выхода газа делают сменным: с одним центральным выходным отверстием или с несколькими расположенными под углом к потоку воздуха.

Все перечисленные дутьевые и инжекционные горелки устанавливают, как правило, в стенах печей.
В своде печи устанавливают плоскопламенные горелки.
Газ подают по трубе, расположенной вертикально по оси горелки.
Поток воздуха закручивают направляющим винтом или благодаря смещенному от оси (тангенциальному) его подводу.
Газ закручивают, применяя косые прорезы в наконечнике газовой трубы.
Выходя из горелки, закрученная газовоздушная смесь прижимается к стенкам огнеупорного туннеля, имеющего форму грамофонной трубы.
Пламя размыкается и направляется вдоль свода печи под прямым углом к оси горелки, приобретая форму плоского диска.
Достоинство плоскопламенных горелок заключается в том, что горение происходит на поверхности огнеупорной футеровки свода.
Раскаленный свод, имеющий бóльшую излучательную способность, чем дымовые газы, передает металлу, нагреваемому в печи, больший лучистый тепловой поток.
Плоскопламенные горелки рассчитывают на работу с природным, коксовым и с различными смесями газов.
Для большинства дутьевых горелок расход газа без ухудшения работы горелки можно изменять в 3-4 раза.

Все конструкции газовых горелок перед применением в печах проходят государственные испытания и получают сертификат с указанием допустимого режима эксплуатации: диапазона расходов газа, давления газа и воздуха, коэффициента расхода воздуха.
Метод выбора и расчета горелок изложен в специальной литературе.

Тип горелки обозначается посредством букв и цифр:
  • Г-горелка;
  • ГМ - газомазутная;
  • Д-с удлиненной газовой частью;
  • Р - ротационная.
В зависимости от места установки на топочной камере, горелки изготавливаются правого и левого вращения:
П - правого вращения- направление вращения ротора форсунки против часовой стрелки (смотреть на торец стакана из топки);
Л - левого вращения - направление вращения ротора форсунки по часовой стрелке.

Числом обозначается номинальная производительность котла, для которого первоначально была спроектирована горелка (Гкал/час).
 
Классификация горелок по типу работы
 
Горелки вентиляторные
Вентиляторные горелки (их же называют дутьевыми, наддувными) имеют следующее свойство: воздух в них поступает благодаря встроенному вентилятору принудительно.
Уже в самой горелке он смешивается с каким-либо топливом, после чего образованная смесь нагнетается в топку.
Вентиляторные горелки могут работать на газе или на жидком топливе (дизеле, отработанном масле).
При работе на газе, вентиляторные горелки менее всего зависят от того, газ какого давления будет поступать, даже при падении давления на 50%, котел будет нагревать теплоноситель.
Вентиляторые горелки намного дороже, чем газовые, но менее зависимы от давления газа в сети: даже если оно упадет на 50%, то котел все равно будет нагревать теплоноситель, правда, с потерей мощности.
Вместе с тем вентиляторные горелки достаточно шумные (до 60 дБ).
Шумит не столько вентилятор, сколько факел, под давлением выходящий из сопла горелки.
Для защиты от шума производители котлов предлагают ряд мер, в том числе глушитель, который устанавливается в месте соединения дымохода с котлом.
 
Диффузионные горелки и горелки промежуточного типа
В диффузионных горелках, необходимый для сгорания топлива воздух доставляется их окружающего пространства непосредственно к фронту горения за счет диффузии.
Диффузионные газовые горелки характеризуются более равномерной температурой по длине факела.
Однако эти газовые горелки требуют повышенного коэффициента избытка воздуха (по сравнению с инжекционными), создают более низкие тепловые напряжения топочного объёма и худшие условия для догорания газа в хвостовой части факела, что может приводить к неполному сгоранию газа.

Диффузионные газовые горелки применяют в промышленных печах и котлах, где требуется равномерная температура по длине факела.
В некоторых процессах диффузионные газовые горелки незаменимы.
Например, в стекловаренных, мартеновских и др. печах, когда идущий на горение воздух подогревается до температур, превышающих температуру воспламенения горючего газа с воздухом.
Успешно применяются диффузионные газовые горелки в некоторых водогрейных котлах.

В мощных топочных камерах газ вполне успешно сжигается при помощи диффузионных горелок с малым сопротивлением по газу и воздуху.
Эти последние не требуют предварительного смешения газа и воздуха, допускают большие скорости выхода газа и воздуха в топку.
При применении таких горелок отпадают огнеупорные туннели значительного суммарного сечения, требующие при высококалориином газе огнеупора высокого качества и сравнительно частого ремонта.
Наконец, диффузионные горелки легко конструируются как смешанные газомазутные, допускающие эффективное сжигание газообразного и жидкого топлива (а если это нужно, - пылевидного твердого).

Поэтому в мощных котлоагрегатах, сжигающих либо природный газ, либо доменный газ и угольную пыль, применяют обычно горелки диффузионного или смешанного типа.
В диффузионных горелках газ и воздух подаются в топку раздельно и смешение газа и воздуха происходит в самой топочной камере.
При этом обычно воздух до смешения с газом успевает подогреться до температуры, достаточной для интенсивного горения, поэтому процесс горения происходит весьма быстро и фронт горения, т. е. зона диффузионного горения, разделяющая области смеси горючего с окислителем (воздухом) и смеси продуктов горения с избыточным воздухом, является весьма тонким слоем.

В горелках промежуточного типа смешение частично осуществляется в самой горелке и из нее в топку входит поток воздуха, пронизанный отдельными струями смеси, богатой газом.
Диффузионные горелки обычно работают на газе низкого и среднего давления.

В котлах получили распространение т. н. подовые газовые горелки, являющиеся разновидностью диффузионных газовых горелок, которые размещаются внутри топки, в нижней её части.
Подовая газовая горелка состоит из одной или нескольких газораспределительных труб, в которых просверлены отверстия.
Труба с отверстиями устанавливается на колосниковой решётке или поду топки в щелевом канале, выложенным из огнеупорного кирпича.
Через огнеупорный щелевой канал поступает требуемое количество воздуха.
При таком устройстве горение струек газа, выходящих из отверстий в трубе, начинается в огнеупорном канале и заканчивается в топочном объёме.

Подовые горелки создают малое сопротивление прохождению газа, поэтому они могут работать без принудительного, дутья.
Для наблюдения за процессом горения и розжига газовой горелки служит смотровое окно.
Подовые горелки могут работать на низком и среднем давлении газа и используются в секционных котлах.
 
Мазутные горелки
Применение мазута, то есть тяжелой фракции, остающейся после того, как будет переработана нефть, в промышленности встречается отнюдь не редко.
Главным образом, мазутные горелки, как автономные, так и промышленные, применяются для того, чтобы преобразовать мазут в тепловую энергию, причем осуществляется это путем сжигания.
По большей части в мазутных горелках используется система механического распыления топлива, с применением либо пара, либо сжатого воздуха.
Некоторые из модификаций мазутных горелок оснащаются соплами низкого давления, направлено это на эффективное снижение расхода топлива.
Кроме того, такой вид мазутного горелочного устройства изнашивается медленнее своих аналогов, а это, в свою очередь, снижает как себестоимость процесса, так и расходы на техническое обслуживание.

Мазутные горелки, выпускающиеся в наше время, оснащаются таким оборудованием, как электрощиты, система регулирования, двигательно-насосная группа подачи топлива.
Горелочное устройство на мазуте, имеющее подобную комплектацию, автоматически очистит сопло, как только можно будет говорить об окончании работы, что также ведет к снижению необходимости в техническом обслуживании оборудования.

В мазутных горелках применяется система подогрева топлива.
Делается это для того, чтобы мазут постоянно поддерживался в вязком состоянии.
Распыление же горючего происходит при помощи сжатого воздуха или пара под давлением 8 Бар.
Существуют и такие модификации, в которых газовая горелка разжигается за счет запальной газовой горелки.

Мазутные горелки по праву считаются экономичными и практичными.
В виду этих свойств мазутные горелочные устройства применяются повсеместно и широко, причем и как основной источник тепловой энергии, и как вариант-подстраховка, если вдруг будут перебои с подачей другого топлива.

Промышленная мазутная горелка нашла свое применение в производственных целях и в городских теплоцентралях, обеспечивая централизованное отопление жилых домов.
 
Газо-мазутные и пыле-газовые горелки
Для оперативного перехода с одного вида топлива на другой (особенно в зимние месяцы), а также для совместного сжигания различных видов топлива используют комбинированные горелки: газо-мазутные и пыле-газовые.
Комбинированные горелки применяют также, когда требуется создать светящееся пламя или когда на газе невозможно обеспечить нужную температуру в топке.

Газо-мазутная горелка состоит из газовой, воздушной и жидкостной частей, обеспечивающих соответственно подвод необходимых для сжигания количества газа, воздуха и мазута.

В пыле-газовой горелке для сжигания природного газа в крупных котлах электрических станций газ поступает через периферийные отверстия и направляется к центру, смешиваясь по пути с закрученным потоком воздуха.
Горелка снабжена телескопическим устройством с винтовым приводом, позволяющим убирать внутрь трубу, по которой подаётся в топку воздушно-пылевая смесь при работе котлов на газовом топливе.
Телескопическое устройство препятствует попаданию пыли в щели между передвижной и стационарной частями трубы.
 
Инжекционные горелки
В инжекционных горелках воздух для горения засасывается (инжектируется) за счёт энергии струи газа и их взаимное смешение происходит внутри корпуса горелки.
Иногда в инжекционных газовых горелках подсасывание необходимого количества горючего газа, давление которого близко к атмосферному, осуществляется энергией струи воздуха.
В горелках полного смешения (с газом перемешивается весь необходимый для горения воздух), работающих на газе среднего давления, образуется короткий факел пламени, а горение завершается в минимальном топочном объёме.
В инжекционные газовые горелки частичного смешения поступает только часть (40-60%) требующегося для горения воздуха (т. н. первичный воздух), который и смешивается с газом.
Остальное количество воздуха (т. н. вторичный воздух) поступает к факелу пламени из атмосферы за счёт инжектирующего действия газо-воздушных струй и разрежения в топках.

В отличие от инжекционных газовых горелок среднего давления, в горелках низкого давления образуется однородная газо-воздушная смесь с содержанием газа больше верхнего предела воспламенения; эти газовые горелки устойчивы в работе и имеют широкий диапазон тепловой нагрузки.

Инжекционные горелки различают: по давлению — низкого и среднего давления; по виду факела — многофакельные (с распределительным коллектором) и однофакельные; по количеству сопел — односопловые и многосопловые; по расположению сопел — с центральным и периферийным расположением.

Объемные соотношения газа и воздуха, засасываемого инжекционной горелкой, определяются коэффициентом инжекции и коэффициентом избытка воздуха.
Чем выше теплота сгорания газа, тем больше требуется воздуха для его сгорания и тем больше при одном и том же коэффициенте избытка воздуха должен быть коэффициент инжекции, т. е. тем больше воздуха должен подсасывать 1 м3 газа.
В интервале давления газа от 2000 до 9000 кгс/м2 инжекционная способность горелки почти не меняется при изменении давления газа перед горелкой и разрежения в топке.

При давлениях ниже 2000 и особенно ниже 1000 кгс/м2 коэффициент избытка воздуха возрастает с уменьшением давления и с увеличением разрежения в топке.
Для обеспечения нормального процесса горения большое значение имеет постоянство состава газового топлива.
Изменение плотности приводит к изменению инжектирующей способности горелки, а изменение теплоты сгораниятребует соответствующего изменения количества подаваемого для горения воздуха.
При небольших колебаниях указанных характеристик газового топлива (числа Воббе) необходимый коэффициент избытка воздуха можно поддерживать изменением давления перед горелкой и степени открытия воздушно-регулировочной заслонки.

Достоинства инжекционных горелок: использование энергии газа для подсоса воздуха; хорошее перемешивание газа и инжектируемого воздуха и поддержание, в определенных диапазонах, расчетного соотношения их количеств при изменении тепловой мощности горелки.
Основными недостатками горелок с одним газовым соплом являются значительная длина, особенно при больших тепловых мощностях: необходимость строгого совпадения оси сопла с осью горелки; высокий уровень шума, а горелок низкого давления — значительная длина факела и зависимость поступления вторичного воздуха от разрежения в топке.
 
Форсунки для сжигания мазута
 
В качестве жидкого топлива для отопления печей в металлургии используют, как правило, высоковязкие топочные мазуты.
Мазуты характеризуются вязкостью, температурой вспышки и воспламенения, температурой застывания.
Температурой вспышки называют температуру, при которой пары мазута в смеси с воздухом загораются при поднесении огня.
Она находится в пределах 70-150 °С в зависимости от состава мазута.

Температура вспышки значительно ниже температуры воспламенения, при которой жидкий мазут воспламеняется произвольно, без воздействия огня.
Температура воспламенения мазутов в среднем равна 500-600 °С.
Температура застывания равна 5-25 °С.

Для удобства транспортирования и распыливания в форсунках вязкость мазута снижают путем подогрева до температуры на 15-20 °С ниже температуры вспышки.
Мазут перед сжиганием подвергают распыливанию, чтобы увеличить площадь контакта капель с кислородом воздуха.

В металлургии для сжигания мазута применяют форсунки высокого и низкого давления с паровым и воздушным распыливанием.
Распыливание происходит в результате взаимодействия струй мазута и распылителя, движущихся с разными скоростями.

В форсунках низкого давления распылителем является идущий на горение вентиляторный воздух с давлением 5-20 кПа, при котором обеспечивается скорость его истечения 80-100 м/с.
Мазут обычно истекает со скоростью ∼ 10 м/с.
Достоинство форсунок низкого давления в том, что они не нуждаются в подводе распылителя высокого давления.
Их применяют на небольших металлургических печах.

Качество распыливания и сжигания лучше, а пределы регулирования расхода мазута выше в форсунках высокого давления.
В них распылитель – компрессорный воздух или водяной пар – подают в небольших количествах, но с большой скоростью.
Необходимое давление воздуха 400-600 кПа, пар может быть сухой насыщенный или перегретый с температурой 200-300 °С под давлением 700-900 кПа.
Скорость истечения распылителя составляет сотни метров в секунду.

Форсунки высокого давления могут иметь большую пропускную способность.
Их применяют на крупных металлургических печах.
 
Огнеупорные и теплоизоляционные материалы
 
Огнеупорные изделия применяют для строительства рабочего пространства и других элементов печей, работающих в условиях высоких температур и воздействия агрессивных сред – расплавов, окалины, газов.
Чтобы уменьшить потери теплоты, футеровку печи по толщине делают, как правило, комбинированной: рабочий слой выполняют из огнеупорных, наружный слой – из теплоизоляционных изделий.
Различают формованные огнеупорные изделия в виде кирпичей, блоков, панелей и неформованные: порошки, набивные массы, смеси для изготовления огнеупорного бетона.
 
Виды огнеупорных изделий для строительства печей и их свойства
Огнеупорность определяется как температура Тогн, при которой происходит деформация стандартного образца в форме усеченной пирамиды при отсутствии механического и физико-химического воздействия.
Огнеупорные изделия подразделяют на три группы: средней огнеупорности – Тогн до 1720 °С; высокой огнеупорности Тогн от 1720 °С до 2000 °С, высшей огнеупорности – Тогн – выше 2000 °С.
Предельная рабочая температура службы огнеупоров в условиях эксплуатации Tmax значительно ниже, чем Тогн.

В таблице 1 приведены свойства наиболее широко используемых печных огнеупоров.
Все огнеупоры характеризуются такими важными эксплуатационными показателями, как термостойкость, шлакоустойчивость, строительная прочность. изменение обьема при нагреве.

Таблица 1 – Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах

Термостойкостью называют способность огнеупоров выдерживать циклическое изменение температур при нагреве и охлаждении, так называемые теплосмены.
Термостойкость характеризуют числом теплосмен до потери 20% первоначальной массы огнеупора в результате образования трещин и скалывания.
Шлакоустойчивость характеризует способность огнеупора выдерживать воздействие жидкого шлака и металла, окалины, газов.
 
Характеристики и область применения некоторых печных огнеупоров

Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кремнеземистым, кислым огнеупорам.
Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 °С.
Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов.
Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен.
Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 °С и особенно выше 600 °С, то термостойкость динаса исключительно высока.
Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагрева-тельных колодцев, которая не охлаждается ниже 600 °С, для кладки распорных сводов.

Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3.
Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью.
Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки.
Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.

Муллит и корунд относятся к высокоглиноземистым алюмосиликатным огнеупорам.
По мере увеличения содержания Al2O3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве.
Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен.
Применяются вместо шамота в условиях более высоких температур: муллит – до 1650 °С, корунд – до 1800 °С.
Плавленые корундовые изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и выдерживают давление и истирающее действие металла и шихты.
Применяются в установках внепечной обработки стали, в монолитных подинах методических нагревательных печей, в качестве насадки шариковых регенераторов.

Периклаз (или магнезит) содержит не менее 85% MgO.
Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности.
Максимальная рабочая температура 1700 °С.
Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены.
Шлакоустойчивость по отношению. к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока.
Поэтому магнезитовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков.
Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей.

Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3.
Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита.
Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70.
Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20%.
В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30%.
Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.

Смолодоломитовые безобжиговые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и СаО, а также углерод в виде смоляной связки в количестве 2-4%.
Они применяются для футеровки конвертеров.
Известь СаО взаимодействует с силикатами конвертерного шлака, благодаря чему на поверхности футеровки образуется гарниссаж, препятствующий проникновению шлака в футеровку.

Углеродистые огнеупоры изготавливаются из доступного сырья – графита, кокса – с высокой температурой плавления ≥ 3500 °С.
Они не смачиваются расплавами и поэтому устойчивы против них, имеют высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре ≥ 600 °С.
Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, в лещади доменных печей, в качестве припаса для разливки металлов, для изготовления электродов дуговых плавильных печей.

Карбидкремниевые огнеупоры содержат в качестве главного компонента SiC – карборунд.
Они покрыты защитной плёнкой SiO2, поэтому не окисляются как углеродистые.
Имеют высокую прочность, износоустойчивость, термостойкость.
Устойчивы против нейтральных и кислых расплавов, нестойки против основных.
Применяются для изготовления трубок керамических рекуператоров, огнеупорных муфелей.

Неформованные огнеупоры применяют для изготовления монолитных футеровок из огнеупорного бетона и набивных масс.
Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного наполнителя (бой огнеупорных изделий) с размером частиц от 0,5 до 70 мм, вяжущего и добавок.
В качестве вяжущего используют твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), жидкое стекло, фосфатные связки на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4.
Добавки могут регулировать скорость схватывания и твердения, улучшать пластические свойства, уменьшать усадку.

Широко распространены динасовые бетонные блоки и панели для стен нагревательных колодцев, глинистокварцитовые массы для набивной футеровки ковшей. Применяют монолитную футеровку стен и сводов нагревательных печей из жидкого (литого) бетона с креплением её к металлическому каркасу печи с помощью анкерных кирпичей, распределенных по площади стен и свода.

Защитные гарниссажи образуются на рабочей поверхности ограждения плавильных, шахтных и дуговых печей из спекающихся или расплавленных материалов при интенсивном охлаждении стен печи водой или воздухом.
В плавильных печах цветной металлургии гарниссаж является эффективным средством защиты, а иногда и замены футеровки.
 
Теплоизоляционные материалы, применяемые в печестроении
Для тепловой изоляции металлургических печей применяются два вида изделий:
1) легковесные пористые огнеупорные кирпичи: шамот-легковес, динас-легковес, диатомитовый и другие;
2) изделия в виде плит, ваты, войлока, картона, изготовленные на основе керамического волокна в смеси со связующим материалом, так называемые волокнистые огнеупоры.

Легковесные огнеупорные кирпичи обладают большой пористостью и поэтому меньшей плотностью и теплопроводностью, чем обычные огнеупорные кирпичи (табл. 2).
Марка кирпича в табл. 2 расшифровывается так: Д – динас, Ш – шамот, Л – легковес, числа после тире означают плотность.
Чем меньше плотность кирпича, тем лучше его теплоизоляционные свойства, но ниже максимальная рабочая температура.

Таблица 2 – Свойства легковесных огнеупорных изделий

По сравнению с обычными огнеупорами шамот-легковес и другие легковесы имеют более низкую прочность, шлакоустойчивость и термостойкость.
Их можно применять не только для теплоизоляционного слоя футеровки, но и для рабочего слоя, в термических печах.
Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей.
Волокнистые плиты, как и шамот-легковес, применяют для изготовления не только изоляционного, но и рабочего слоя футеровки термических печей с целью снижения потерь теплоты в рабочем пространстве печи.
При этом уменьшаются два вида потерь: на аккумуляцию теплоты футеровкой и теплопроводностью через футеровку в окружающую среду.


Губинский В.И. Металлургические печи: Учеб. пособие. - Днепропетровск: НМетАУ, 2006. – 85 с .pdf
Категория: Печное оборудование | Просмотров: 3907 | Добавил: semglass | Теги: металлургия, оборудование, Печи, Процессы, теплотехника
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: