Баланс печи. Рекуператоры и генераторы. Топливо и его сжигание в печах. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы.

Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Институт машиностроения, материалов и транспорта Высшая школа Физики и технологии материалов Проект!!! (рукопись) Григорьев Андрей Анатольевич «Теплотехника» (1 часть курса). Конспект Группа з3332202/80501,2 Осень 2020 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 1 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 Вопросы по теплотехнике осень 2020, весна 2021 гр з3332201/80501,2 -Баланс печи 1. Схема тепловой работы печей 2. Тепловая мощность печи 3. Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс 4. Производительность печи. 5 Тепловой дефицит 6. Усвоенная тепловая мощность и КПД печи 7. Удельный расход энергии 8. Коэффициент использования теплоты топлива в печи - КИТ 9. Теплотехнические факторы, определяющие производительность печи 10. Пути сокращения удельного расхода энергии 11. Способы повышения КИТ в топливных печах Рекуператоры и регенераторы 12. Общая характеристика и классификация 13. Теплообмен и температурные поля в рекуператорах 14. Схема расчета рекуператора 15. Петлевой трубчатый рекуператор 16. Струйный радиационный рекуператор 17. Керамический трубчатый рекуператор 18. Общая характеристика регенераторов 19. Виды регенераторной насадки ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ В ПЕЧАХ 20. Теплота сгорания 21. Основные виды топлива для металлургических печей. Условное топливо 22. Реакции при сжигании топлива 23. Полное и неполное горение топлива. Коэффициент расхода воздуха 24. Температура горения топлива 25. Расчеты горения топлива 26. Условия воспламенения и взрываемости газообразного топлива 27. Горелки для сжигания газа 28. Форсунки для сжигания мазута -ОГНЕУПОРНЫЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 29. Виды огнеупорных изделий для строительства печей и их свойства 30. Теплоизоляционные материалы, применяемые в печестроении Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 2 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 3 Баланс печи 1. Схема тепловой работы печей Любая печь, как энергетический агрегат, может быть представлена общей схемой: "источник энергии" --> "теплота" --> "объект тепловой обработки (материалы)". В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения. В топливной печи эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи: 1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения - дымовые или печные газы; 2) движение печных газов, с помощью которого теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи; 3) внешняя теплопередача, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов; 4) внутренняя теплопередача от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью. В электрических печах некоторые звенья схемы будут отсутствовать: в них нет горения топлива и движения газов. В дуговых печах есть следующие звенья: тепловыделение в дуге, передача излучением от электрической дуги к поверхности материалов и внутренняя теплопередача в материалах. Подобным образом работают печи сопротивления косвенного действия, в которых электрический ток проходит не через нагреваемое тело, а через нагреватели, расположенные на внутренней поверхности ограждения печи. Выделившаяся в них теплота передается с помощью внешней теплопередачи излучением на поверхность нагреваемых тел. В индукционных печах и печах сопротивления прямого действия теплота выделяется внутри нагреваемых тел, т.е. отсутствует внешняя теплопередача, а внутренняя имеет место: с помощью теплопроводности теплота равномерно распределяется по объему тел, если мощность внутренних источников энергии была неравномерно распределена. В автогенных печах, как, например, в конвертере, при продувке Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 4 жидкого чугуна кислородом, источник энергии (окисление элементов), также является внутренним. Внешняя теплопередача отсутствует, однако движение газов играет определенную роль. Кислородные струи и движение в жидкой ванне газообразного продукта окисления углерода СО перемешивают ванну и способствуют её равномерному прогреву. 2. Тепловая мощность печи Как всякая энергетическая установка печь характеризуется мощностью. Тепловой мощностью печи называют количество теплоты, которое выделяется в печи в единицу времени при полном сгорании топлива или за счет расхода электрической энергии. Единицей измерения мощности является Вт=Дж/с. Часть мощности, потребляемой печью, расходуется на совершение полезной работы - нагрев материалов. Она поглощается материалами и поэтому называется усвоенной мощностью Мусв, другая часть вынужденно теряется в окружающую среду - Мпот. Поэтому принято называть тепловую мощность печи общей мощностью Мобщ = Мусв + Мпот. (6) Общая мощность топливной печи выражается через расход топлива, измеряемый расходомером в м3/ч (м3/с) - для газообразного топлива или в кг/ч (кг/с) - для жидкого топлива. Расход твердого топлива определяют путем взвешивания. Если обозначить расход топлива В, то: М общ  м 3 кДж  кг кДж = B  Q кВт  3 = кВт;  = кВт с кг м  с  р н (7) 3. Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс В печной системе имеются два вида потерь теплоты: 1) потери в рабочем пространстве печи - Мпрп и 2) теплота, уносимая из печи уходящими дымовыми газами Мух. Теплота в рабочем пространстве теряется, во-первых, на нагрев футеровки, т.е. огнеупорного ограждения печи, иначе говоря аккумулируется футеровкой, она обозначается Мак.ф; во-вторых, проходит насквозь через футеровку благодаря теплопроводности и уходит в цех излучением и конвекцией от разогретой внешней Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 5 поверхности футеровки - Мпот.ф; в-третьих, теплота теряется излучением через открытые окна печи Мокн; в-четвертых, расходуется на нагрев воды, которая охлаждает металлические элементы конструкции печи, работающие при высокой температуре -Мохл.в. В целом Мпрп = Мак.ф + Мпот. ф + Мокн + Мохл. в. (8) В электропечах имеется один вид потерь - потери в рабочем пространстве печи, поэтому для электропечей в (6) Мпот = Мпрп. Топливная печь, наряду с потерями в рабочем пространстве печи, имеет и второй вид потерь - с уходящими из рабочего пространства продуктами горения топлива - Мух. Эти потери состоят из физической теплоты горячих газов Мух.ф и могут включать неиспользованную химическую энергию топлива вследствие неполного его сгорания в печи (недожога) -Мхн. Таким образом, для топливных печей мощность Мпот в выражении (6) будет равна Мпот=Мпрп+Мух. Тепловой баланс топливной печи будет таким: Мобщ=Мусв+Мпрп+Мух. (9) Электрические печи по сравнению с топливными должны быть более экономичны по расходу топлива, так как в них нет потерь с уходящими газами, однако не следует забывать, что при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях были свои тепловые потери, в том числе с уходящими в атмосферу газами. Теплота газов, уходящих из рабочего пространства, необязательно полностью теряется в атмосферу. В современных топливных печах часть теплоты дымовых газов используют для подогрева воздуха, а иногда и газообразного топлива, которые направляются в горелочные устройства печи, т.е. теплота дымовых газов частично возвращается в рабочее пространство печи в виде физической теплоты воздуха - Мф.в и топлива - Мф.т. Этот процесс передачи теплоты дыма воздуху или топливу происходит в специальных устройствах - теплообменниках двух типов: рекуператорах и регенераторах, которые устанавливают в дымовых каналах между рабочим пространством печи и дымовой трубой. Потери теплоты с газами, уходящими в атмосферу - Мух.атм, будут меньше по сравнению с потерями на выходе из рабочего пространства Мух, а именно: Мух.атм=Мух-Мф.в-Мф.т. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 6 Тепловой баланс топливной печи окончательно будет иметь вид Мобщ =Мусв +Мпрп +Мух -Мф.в -Мф.т. (10) В крупных печах, например, в мартеновских и двухванных, теплоту уходящих газов используют для получения водяного пара, для чего за печами устанавливают котлы-утилизаторы. Потери теплоты в рабочем пространстве печи также стремятся уменьшить прежде всего путем применения футеровки с лучшими тепло-физическими свойствами - с меньшей теплоемкостью и теплопроводностью. Существуют проекты так называемых безинерционных печей, ограждение которых отражает обратно в печь падающее на него из печи тепловое излучение, т.е. имеет свойство теплового зеркала. Существуют печи с испарительным охлаждением, в которых вода в водоохлаждаемых элементах печи превращается в пар, используемый в системе отопления помещений. Предложены схемы печей, в которых теплота, прошедшая через футеровку, передается воздуху, который также может быть полезно использован. Потоки теплоты в топливной печи схематично изображены на рис. 4. Рис. 4. Потоки теплоты в топливной печи: 1 - рабочее пространство печи; Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 7 2 - горелка; 3 - нагреваемый материал; 4 - дымовой канал; 5 утилизатор теплоты уходящего дыма (рекуператор); 6 - вентилятор; 7 - дымовая труба 4. Производительность печи Масса готовой продукции, выдаваемая из печи за единицу времени, называется производительностью печи Р (т/ч, т/сутки, т/год, кг/с). Если ёмкость печи, т.е. масса материалов, находящихся в рабочем пространстве, равна Е (т, кг), а продолжительность обработки материалов в печи (длительность плавки или нагрева металла) равна т (ч, с), то P= E  (11) Продолжительность обработки материалов в печи  включает в себя время теплотехнического процесса тепл, необходимое для нагрева или плавления, а также время технологических операций техн, если эти операции проводятся в рабочем пространстве печи, т.е. =тепл+техн. Если же технологический процесс происходит за пределами печи (внепечная обработка жидкого металла в ковше, прокатка, ковка, штамповка), то =тепл. Удельная производительность печи показывает, сколько продукции (т, кг) получается с единицы площади пода или с единицы объема рабочего пространства за единицу времени (кг/м·ч; т/м3·сутки). Такие термины, как «съем металла», «напряженность пода» выражают удельную производительность печи. Иногда, например, при выплавке чугуна в доменной печи пользуются обратным показателем - КИПО - коэффициент использования полезного объема, который показывает, какой полезный объем печи требуется для выплавки 1 т чугуна в сутки. Теплотехнические факторы, определяющие производительность печи, будут рассмотрены в параграфе «теплотехнические факторы, определяющие производительность печи. 5. Тепловой дефицит Тепловой дефицит - это количество теплоты, которое нужно сообщить исходным материалам, чтобы превратить их в 1кг (или Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 8 1т) конечного продукта. В условиях постоянного давления среды это количество теплоты равно приращению удельной энтальпии i=iK-iH, кДж/кг, где iK -энтальпия конечного продукта на выходе из печи, кДж/кг; iH - энтальпия материала при загрузке в печь, кДж/кг конечного продукта. Чем больше i, тем больше предстоящая тепловая работа печи, тем продолжительнее время тепловой обработки тепл, тем ниже производительность печи. Например, при нагреве холодных слитков и заготовок перед обработкой давлением i=800-900 кДж/кг (МДж/т), в мартеновской или дуговой сталеплавильной печи i =1500-1900кДж/кг (МДж/т) жидкой стали, в доменной печи i = 10500-12500кДж/кг (МДж/т) жидкого чугуна. Чтобы уменьшить расход топлива или электричества, нужно стремиться к уменьшению теплового дефицита путем сохранения энтальпии, полученной материалом в предыдущем металлургической переделе: жидкий чугун при выплавке стали, горячие слитки с жидкой сердцевиной при нагреве их перед прокаткой и т.д. 6. Усвоенная тепловая мощность и КПД печи Зная производительность печи Р и тепловой дефицит i, можно найти усвоенную мощность, т.е. количество теплоты, поглощенное материалами в печи за единицу времени:  кг кДж  М усв = P  i   = кВт  с кг  Отношение усвоенной тепловой мощности Мусв к общей мощности, потребляемой печью Мобщ, называют коэффициентом полезного действия печи (КПД) пд =Мусв/Моб . При этом не учитываются затраты электроэнергии на привод механизмов, обслуживающих печь: вентиляторов, дымососов, загрузочных и транспортирующих устройств. Поэтому пд показывает только степень полезного использования энергии в рабочем пространстве агрегата. При экономической оценке различных печей необходимо учитывать все затраты энергии на их эксплуатацию. Величина КПД колеблется в широких пределах. Наиболее низок это показатель в печах, где приходится выдерживать Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 9 нагретый или расплавленный металл для осуществления технологических процессов в течение длительного времени. Например, в термических печах КПД может быть на уровне 8-10%, а в современных нагревательных печах он может составлять 5085%. 7. Удельный расход энергии Удельный расход энергии показывает, сколько энергии топлива или электричества надо израсходовать в печи для получения единицы продукции (кДж/т, кДж/кг). Обозначим его буквой "в". На производстве чаще всего пользуются показателем удельный расход условного топлива - в который получается в  кДж кг. у.т кг. у.т  в =  = простым пересчетом 29300  т кДж т  и . измеряется в кг. условного топлива на тонну продукции. Здесь 29300 - теплота сгорания условного топлива в кДж/кг.у.т. В соответствии с определением в= М общ  кДж с кДж   = Р  с кг кг  ., откуда Мобщ=в·Р. Найдем связь между двумя показателями работы печи - КПД и удельным расходом энергии:  ПД = М усв М общ = i  P i = bP b (12) Таким образом, КПД печи обратно пропорционален удельному расходу энергии: чем больше "в" тем ниже пд. На производстве печи не всегда работают производительно. Существуют простои печей на холостом ходу, вызванные организационными причинами. Если посчитать средний удельный расход энергии с учетом горячих простоев за год или за месяц, то он окажется существенно больше, чем при работе печи без простоев. Поэтому средний удельный расход энергии за год или за месяц характеризует не только экономичность печи, но и уровень организации производства в цехе за указанный период. Печи циклического действия работают с переменной по времени цикла тепловой мощностью. Приходится оперировать Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 10 усредненными величинами мощностей и тепловых потерь. В этих печах более удобно измерять расход энергии за цикл работы печи от загрузки до выпуска или выдачи готовой продукции, в кДж/цикл. В этом случае количество теплоты, потребляемое печью за цикл, обозначают Qобщ кДж/цикл, усвоенную материалом теплоту - Qyсв кДж/цикл. КПД печи циклического действия будет Q усв E  i = равен  ПД = Q Qобщ , а удельный расход энергии в=Qобщ/Е, общ кДж/т 8. Коэффициент использования теплоты топлива в печи КИТ Служит для теплотехнической оценки топлива и экономичности его использования в печах. КИТ показывает, какая часть общей тепловой мощности печи остается в рабочем пространстве печи и используется на совершение полезной работы и на покрытие потерь теплоты в рабочем пространстве. Буквенное обозначение КИТ - ит не будем путать с КПД - пд. Для печей непрерывного действия будем иметь: М усв + М прп М усв М прп М прп  ИТ = = + =  ПД + (13) М М М М общ общ общ общ Для печей циклического действия в среднем за цикл работы:  ИТ = Q усв + Qпрп Qобщ = Q усв Qобщ + Qпрп Qобщ =  ПД + Qпрп Qобщ Таким образом, КИТ больше КПД на величину относительных потерь теплоты в рабочем пространстве печи. Минимальное значение КИТ имеет печь, работающая на холостом ходу, без нагреваемых материалов. В этом случае Мусв=0, тогда пд=0, а итmin=Мпрп/Мобщ0. Максимальное значение КИТ имеют электрические печи, в которых вся теплота остается в рабочем пространстве, т.е. итmах=1,0 . В топливных печах всегда имеются потери теплоты с уходящими в атмосферу газами, поэтому в этих печах ит<1. В теоретическом пределе, если вся теплота уходящих дымовых газах будет использована на подогрев воздуха и топлива, которые возвратят её в печь, то Мух—>0, а ит—>1,0. В современных Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 11 топливных печах можно достичь значения ит 0,9, т.е. 90% потребляемой печью энергии останется в рабочем пространстве, а остальная часть (1-ит) в количестве 10% будет выброшена в атмосферу. Тепловой баланс печи с участием КИТ из выражения (13) будет представлен следующим образом Мобщит=Мусв+Мпрп. (14) В установившемся режиме работы печи Мусв+Мпрп=const, тогда произведение Мобщит = const, т.е. во сколько раз увеличится КИТ, во столько раз меньше будет мощность печи и, следовательно, расход топлива на её работу. КИТ можно вычислить, не зная Мобщ, Мусв и Мпрп. Для вывода расчетной формулы КИТ запишем тепловой баланс топливной печи в терминах мощностей в виде (10), т.е. с учетом использования теплоты уходящих газов на подогрев воздуха и топлива: Мобщ = Мусв + Мпрп + Мух - Мф. в - Мф.т, откуда следует, что: Мобщ + Мф.в + Мф.т - Мух = Мусв + Мпрп. Разделив обе части этого уравнения на Мобщ, приходим к следующему выражению для КИТ:  ИТ = М усв + М прп М общ = М общ + М ф.в + М ф.т − М ух М общ В последнем выражении все значения мощностей находятся из следующих формул: Мобщ=В∙Qнp; Мф.в=B∙Ln∙iв; Мф.т=B∙iт; Mух=B∙υ д iух. Здесь В - расход топлива, м3/с или кг/с; Qнp - теплота сгорания топлива, кДж/м3 или кДж/кг; Ln - действительный расход воздуха, подаваемый в печь для сжигания единицы топлива в м3/м3 топлива или в м3/кг топлива; υд - объем дымовых газов, образующихся от сжигания единицы топлива в м3/м3 топлива или в м3/кг топлива; iB, iT, iyx - энтальпии воздуха и топлива, подогретых в рекуператоре или регенераторе, и дымовых газов на выходе из рабочего пространства печи соответственно , кДж/м3. После подстановки этих величин в последнее выражение получим: B  QНР + В  Ln  iT + B  iT − B   Д  iУХ  ИТ = B  QНР Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 12 Сократив дробь на В, приходим к расчетной формуле для КИТ, все члены которой относятся к единице топлива QНР + Ln  iT + iT −  Д  iУХ  ИТ = (15) QР Н Из этой формулы следует второе определение КИТ, идентичное первому: КИТ показывает, какая часть теплоты сгорания топлива остается в рабочем пространстве печи. Сравните это второе определение с первым, приведенным в начале данного параграфа. Введение понятия КИТ дает возможность разделить общую мощность печи на две составляющих. Из выражения (14) получаем M общ = М усв + М прп  ИТ = М усв  ИТ + М ПРП  ИТ = М раб + М ХХ (16) Первая составляющая получила название рабочей мощности Мраб=Мусв/ηит, вторая составляющая называется мощностью холостого хода Мхх=Мпрп/ηит. Рабочая мощность обеспечивает выполнение печью полезной тепловой работы в количестве Мусв.Но Мраб > Мусв, если ηит < 1. Значит, часть рабочей мощности, пропорциональная ηит, усваивается материалом в количестве Мусв = ηит∙Мраб, а оставшаяся часть, равная (1 - ηит)∙Мраб теряется с уходящими из печи газами. Чем выше КИТ, тем ближе друг к другу значения Мраб и Мусв. В электрических печах ηит = 1, так как нет потерь с уходящими газами, поэтому Мраб = Мусв. Мощность холостого хода обеспечивает поддержание печи при рабочей температуре, когда в ней нет материалов, т.е. эта мощность компенсирует потери теплоты в количестве Мпрп. Но Мхх > Мпрп, если ηит < 1. Опять-таки, часть Мхх, равная Мхх ∙ηит = Мпрп теряется в рабочем пространстве, а остальная часть (1 - ηит)∙ Мхх выбрасывается в атмосферу. Чем выше ηит, тем ближе друг к другу значения Мхх и Мпрп. В электрических печах при ηит = 1 Мхх = Мпрп. 9. Теплотехнические факторы, определяющие производительность печи В данном анализе будем считать, что производительность печи зависит от длительности теплотехнического процесса нагрева или плавления материалов. Исходя из записи теплового баланса печи Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 13 непрерывного действия, работающей в установившемся режиме (выражение 14), и имея в виду, что Мусв=Рi, найдем формулу для производительности печи: Мобщит=Pi+Mпрп, откуда M   − M ПРП P = общ ИТ (17) i Для печей, работающих циклами, получим аналогичную формулу производительности печи: P= Qобщ  ИТ − QПРП i  ТЕПЛ M СР  ИТ − M ПРП = i где M ОБЩ ,  ИТ , M ПРП - средние за цикл общая мощность печи, мощность потерь теплоты в рабочем пространстве и КИТ. Из формулы (17) следует, что Р является функцией четырех факторов Р = f(Mo6щ, ит, i, Мпрп). Рассмотрим влияние каждого из четырех факторов на производительность печи. Первый фактор - Мобщ. Из формулы (17) видно, что с ростом Мобщ увеличивается производительность Р. Это происходит потому, что с увеличением тепловыделения растет температура газов в печи и становятся больше тепловые потоки на нагреваемые материалы q(Bт/м3). Однако с ростом температуры печных газов возрастают потери мощности Мпрп и снижается ит. Поэтому рост величины числителя в формуле (17) постоянно затухает. Дальнейшее форсирование работы печи путем увеличения общей мощности почти не дает роста производительности, снижаются ПД и ит, увеличивается удельный расход энергии "в" (рис. 5). К настоящему времени разработан эмпирический способ определения оптимальной величины общей мощности и производительности, при которой печь будет эксплуатироваться с минимальным удельным расходом энергии. Второй фактор - ит. Повышение ит, т.е. увеличение части общей мощности, используемой в рабочем пространстве, будет приводить к росту производительности при Мобщ=const. Если повышать производительность не требуется, то рост ит позволит уменьшить Мобщ и "в". Способы повышения ит будут рассмотрены в разделе 4, посвященном энергосбережению. Третий фактор - i. Снижение i уменьшает знаменатель в Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 14 формуле (17) и при неизменном значении величины числителя приводит к росту производительности печи. Напомним, что i = ik − iH = c0t K  t K − c0t H  t H , где c0tH и 0tK удельная теплоемкость тел, нагреваемых в печи в интервале температур от 0°С до среднемассовой температуры материалов на c входе в печь tH и среднемассовой температуры продукции на выходе из печи t K . Чтобы уменьшить i, нужно повысить t H и по возможности снижать t K , нужно также уменьшить массу материалов, загружаемых в печь на получение 1т продукции. Рис. 5. Влияние общей мощности на производительность печи и Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 15 удельный расход теплоты топлива Известны практические дефицита в металлургии: способы уменьшения теплового 1. Для повышения t H требуется использовать теплоту, накопленную металлом в предыдущем переделе: применять жидкий чугун при выплавке стали; сохранять теплоту непрерывнолитых заготовок после МНЛЗ для прокатки их с минимальным подогревом или без дополнительного нагрева в печи (литейнопрокатные комплексы); сажать в нагревательные колодцы слитки с жидкой сердцевиной; устанавливать теплозащитные экраны на рольгангах между обжимными и заготовочными прокатными станами для осуществления транзитной прокатки без подогрева раскатов. Примером снижения t K является понижение температуры нагрева заготовок в печи перед прокаткой до рационального уровня, при котором будет минимальным расход средств на нагрев и прокатку. При снижении температуры нагрева увеличивается расход электроэнергии при обжатии металла и износ прокатного оборудования. С другой стороны, снижается расход энергии на нагрев, уменьшаются потери металла от угара в печи и обезуглероживания, повышается стойкость печного оборудования и огнеупорной футеровки, что приводит к удешевлению ремонтных работ. 3. Чтобы уменьшить массу материалов, которые приходится нагревать для получения 1т готовой продукции, нужно обогащать руды, удалять вредные примеси и уменьшать количество шлаков, использовать обожженные окатыши и флюсы, чистый от песка и шлака скрап и лом при выплавке стали. Четвертый фактор - Мпрп. Чем больше потери теплоты в рабочем пространстве, тем большая доля общей тепловой мощности расходуется непроизводительно, что снижает производительность печи. Уменьшение тепловых потерь достигается путем применения низкотеплопроводной и менее теплоемкой тепловой изоляции футеровки и водоохлаждаемых балок, умеренного применения водяного охлаждения, уплотнения рабочих и смотровых окон. В лучших современных нагревательных печах непрерывного Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 16 действия Мпрп составляет ~ 5% Мобщ. Мы проанализировали воздействие на производительность печей наиболее общих факторов. Часть факторов, влияющих на производительность печей, но не входящих в формулу (17), мы не рассматривали. К ним относятся ёмкость печи, её размеры, а именно площадь пода, объем печи, величина поверхности нагрева материалов, через которую осуществляется внешняя теплопередача, закономерности циркуляции печных газов и теплопередачи, распределение горелочных устройств в топливных печах. Роль этих факторов рассматривается в специальных монографиях и статьях по металлургической теплотехнике применительно к печам каждого типа и назначения. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧЕЙ 10. Пути сокращения удельного расхода энергии Сущность энергосберегающих мероприятий при эксплуатации печей состоит в сокращении расхода энергии на единицу продукции, который мы называем удельным расходом энергии "в". Чтобы вычислить "в" в печи непрерывного действия, нужно Мобщ разделить на производительность b=Mобщ /P. кДж/т. Для печей циклического действия b= Qобщ E = M общ   E = M общ P , поскольку E/=P. Нам известно, что M усв M ПРП P  i M ПРП M общ = + = + ,     ИТ ИТ ИТ ИТ поэтому b= M общ P = M P  i i M ХХ + ПРП = + . P  ИТ P  ИТ  ИТ P (18) Полученная формула дает возможность проанализировать пути уменьшения удельного расхода энергии. Для печей циклического действия формула для "е" запишется аналогично (18) i M ХХ b= +  ИТ P . Формула (18) показывает, что удельный расход энергии состоит из двух слагаемых, которые представляют собой "прямые Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 17 расходы энергии" на технологический процесс и "накладные расходы" на содержание печи в рабочем состоянии. Первое слагаемое i/ит выражает прямой расход энергии. Он не зависит от производительности печи и всецело определяется тепловым дефицитом: чем меньше тепловой дефицит, тем меньше энергии требуется на нагрев материалов. Возможности уменьшения i весьма велики. Пути уменьшения i мы рассмотрели в параграфе 3.9 при изучении факторов, влияющих на производительность печи: использование жидкого чугуна при выплавке стали, горячий посад слитков, литейно-прокатные комплексы, "транзитная" прокатка, обогащение руд для получения металла, уменьшение количества шлака, предварительный обжиг флюсов. "Накладные расходы энергии" - второе слагаемое Мхх/Р зависит от производительности печи. Во время простоя печи, когда Р=0, а M X X  0 , удельный расход энергии стремится к бесконечности. Чем больше производительность печи, тем меньше "накладные расходы", если рост Р достигается уменьшением простоев печи на холостом ходу. Если же рост производительности происходит за счет увеличения общей тепловой мощности, то удельный расход топлива сокращается до тех пор, пока в дроби b=Мобщ/Р производительность (знаменатель) растет быстрее, чем мощность (числитель). Однако с ростом Мобщ, как мы отмечали выше, рост производительности постепенно затухает (см. рис. 5), так как с повышением температуры печных газов возрастают потери Мпрп, уменьшается ИТ, а значит, увеличивается мощность холостого хода, Мхх =Мпрп/ИТ и удельный расход энергии. Чтобы минимизировать "в", нужно эксплуатировать печь при оптимальной производительности и соответствующей оптимальной тепловой мощности, как показано на рис. 5. Формула (18) показывает также, что сокращение Мпрп и повышение ит однозначно приводят к снижению удельного расхода энергии. Снижение потерь теплоты в рабочем пространстве достигается путем изготовления тепловой изоляции из современных волокнистых изделий. Характеристика этих изделий приведена в разделе 5. Поверхности водоохлаждаемых балок и труб изолируются легкими волокнистыми муллитокремнеземистыми изделиями с оболочкой из огнеупорного бетона. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 18 Особенно эффективно применение шамотных волокнистых плит для футеровки термических печей циклического действия, так как при регулярно повторяющемся разогреве печи в начале каждого цикла уменьшаются потери теплоты, которую поглощает (аккумулирует) футеровка. Так, замена шамотной футеровки на волокнистую в закалочной печи с выкатным подом площадью 14м2 уменьшает расход природного газа, которым отапливается эта печь, на 43%. В топливных печах существенную экономию энергии можно получить путем повышения коэффициента использования теплоты КИТ. Способы повышения КИТ в топливных печах рассмотрим в следующем параграфе. Максимальное значение ит=1. Оно характерно для электрических печей, поэтому резервы экономии энергии в этих печах состоят в уменьшении горячих простоев, в повышении производительности и в уменьшении потерь теплоты в рабочем пространстве. 11. Способы повышения КИТ в топливных печах Способы повышения КИТ рассмотрим с помощью расчетной формулы (15), которую запишем следующим образом:  ИТ QHP + QФ.В + QФ.Т − QФ.УХ − QХ .Н = , QHP P где QH - низшая рабочая теплота сгорания топлива; Qф.в = Ln  iB = Ln  cB  t B ; QФ.Т = cT  tT ; Qф. ух =  Д  c Д  tУХ физическая теплота воздуха, топлива и уходящих из печи газов; tB, tT и tyx - температура воздуха, топлива (на входе в горелки) и дымовых газов на выходе из рабочего пространства; c В , cТ и c Д - средние удельные теплоемкости воздуха, топлива и дымовых газов соответственно; QX.H - теплота недожога топлива в печи. В топливных печах практически достижимым можно считать значение ит=0,9, при котором 90% теплоты топлива используется в рабочем пространстве печи. В пределе можно себе представить случай ит = 1,0, когда Qф.в+ Qф.т= Qф.yх, a QXH=0, т.е. вся теплота, уносимая дымом из рабочего пространства, будет возвращена в него с физической теплотой воздуха и топлива, подаваемых в печь через горелки, форсунки или фурмы. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 19 Чтобы повысить значение КИТ, нужно применить способы увеличения числителя в формуле для ит. Рассмотрим поочередно влияние каждого слагаемого в числителе этой формулы. 1. Недожог топлива QX.H уменьшает ит. Следовательно, необходимо организовать полное сгорание топлива без недожога. Конструкции горелок и форсунок должны обеспечивать перемешивание топлива с кислородом воздушного дутья, а количество кислорода должно быть достаточным для полного сгорания топлива. Каждая конструкция сожигательного устройства имеет свое минимальное значение соотношения расходов воздуха и топлива, которое должно быть больше теоретически необходимого, чтобы в пределах рабочего пространства произошло полное сгорание топлива. Лучшие условия для перемешивания компонентов горения создаются в инжекционных горелках, они работают с наименьшим коэффициентом расхода воздуха n=1,01,05. В горелках типа «труба в трубе» требуется больший избыток воздуха, в них n=1,1-1,15. Мазутные форсунки должны работать при n=1,2-1,25. Почему нельзя допускать чрезмерно большой избыток воздуха? Потому, что избыточный воздух входит в состав дымовых газов и увеличивает их объем д. Из формулы для ит видно, что при этом возрастают физические потери теплоты с уходящими из печи газами. Другими словами, избыточный воздух должен быть нагрет в печи до температуры дымовых газов, для чего требуется дополнительный расход топлива. Таким образом, существует оптимальное значение коэффициента расхода воздуха, которое контролируют на практике путем анализа дымовых газов и сравнивают с расчетным составом дыма. Обычно содержание О2 в дыме должно быть на уровне 1-2%, при этом содержание СО должно быть равно 0, что свидетельствует об отсутствии недожога. Итак, первый способ увеличения КИТ реализуется путем наладки процесса полного сжигания топлива при оптимальном коэффициенте расхода воздуха. 2. Теплота, уносимая из рабочего пространства с дымовыми газами Qф. ух =  Д  c Д  tУХ понижает КИТ. Можно сократить потери двумя путями: уменьшить объем д либо температуру дымовых Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 20 газов tyx. Для уменьшения объема дымовых газов имеются следующие возможности: 1) повышение теплоты сгорания газообразного топлива позволяет уменьшить объем некоторых балластных газов, содержащихся в топливе, прежде всего N2 и СО2, которые из топлива переходят в дым. Расчет показывает, что повышение Qнр до ~ 12 МДж/м3 эффективно влияет на ит. Применение топлива с Qнр > 12 МДж/м^ менее заметно повышает ит, поскольку увеличение знаменателя в формуле для ит начинает компенсировать рост числителя; 2) обогащение воздушного дутья кислородом позволяет снизить содержание в нём балластного газа N2 и тем самым уменьшить д. Этот способ нашел применение в нагревательных печах путем увеличения содержания кислорода в воздухе, подаваемом в горелки, с 21% до 30%. Продувка жидкого металла техническим кислородом в подовых сталеплавильных печах и в конвертерах позволяет аналогичным образом повысить коэффициент использования теплоты экзотермических реакций окисления примесей. Понизить температуру газов, покидающих рабочее пространство можно путем улучшения теплоотдачи от печных газов к материалам. На практике для понижения tyx используют следующие способы: применяют противоточную схему движения газов и материалов (доменная печь, методические и кольцевые печи, трубчатые вращающиеся печи); увеличивают площади пода неотапливаемой зоны со стороны выхода газов из печи; интенсифицируют теплоотдачу конвекцией в неотапливаемой зоне печи с помощью струйного обдува поверхности материала дымовыми газами. Осуществление мероприятий по уменьшению Qф.yx должно быть экономически целесообразным, с приемлемым сроком окупаемости затрат на экономию топлива. Итак, второй способ увеличения КИТ - это понижение объема и температуры уходящих из рабочего пространства газов с помощью повышения теплоты сгорания топлива, обогащения воздушного дутья кислородом и улучшения теплоотдачи от печных газов к Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 21 материалам. 3. Физическая теплота воздуха Qф.в и газообразного топлива Qф.т повышает КИТ, так как она получена за счет охлаждения дымовых газов перед выбросом их в атмосферу, т.е. для нагрева компонентов горения не расходовалась дополнительная химическая энергия топлива. Этот третий способ повышения КИТ получил название: утилизация теплоты уходящих газов в рекуператорах или регенераторах. Общая тепловая мощность печи остается единственным внешним, первичным источником энергии для работы печи (первичным энергоресурсом). Теплота уходящих газов называется вторичными энергоресурсами, которые мы не сумели использовать для нагрева материалов. Утилизация теплоты дыма путем нагрева компонентов горения помогает исправить этот недостаток работы печи, увеличивая КИТ и уменьшая тепловые выбросы в атмосферу. Ранее говорилось, что теплота дымовых газов может быть использована также для получения водяного пара в котлахутилизаторах за печью. Этот вид утилизации вторичных энергоресурсов не влияет на расход топлива в печи, на величину КИТ, но позволяет экономить топливо на выработку пара или горячей воды для отопления помещений и технологических нужд. Эффективность утилизации теплоты уходящих газов оценивают коэффициентом рекуперации (регенерации) rФ = QФ.В + QФ.Т , QФ.УХ который показывает, какую долю теплоты уходящего дыма удается возвратить в рабочее пространство с нагретым воздухом и газообразным топливом. Рекуператоры применяют, в основном, в нагревательных печах различного назначения. Регенераторы нашли применение, как в плавильных, так и в нагревательных печах. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 22 -Рекуператоры и регенераторы 12. Общая характеристика и классификация Рекуператор - это теплообменник стационарного режима работы, в котором теплота непрерывно передается от дымовых газов к нагреваемому газу (воздуху либо газообразному топливу) через сплошную твердую стенку. Площадь поверхности этой разделяющей стенки называют поверхностью теплообмена F, м2 . Чаще всего стенка имеет цилиндрическую форму, т.е. выполняется в виде трубы, внутри которой протекает один теплоноситель, а снаружи - другой. В зависимости от материала стенки различают керамические и металлические рекуператоры. Материалом для металлических рекуператоров служат хромоникелевые стали типа Х18Н10Т, Х25Н20С2 с допустимой температурой дыма перед рекуператором 1100-1200°С, либо хромистая сталь типа Х17 с допустимой температурой дыма не более 1000°С. Толщина стальной стенки S = 2-3 мм. Температура нагрева воздуха (или газа) в существующих рекуператорах не превышает 400-500°С. Керамические рекуператоры выполняют из карбошамотных или шамотных восьмигранных трубок длиной 300-350 мм, с толщиной стенки S=10-12 мм, а также реже из шамотных пустотелых блоков. В керамических рекуператорах нагревают только воздух ввиду их негерметичности. Максимальная температура дыма перед рекуператором 1250-1300°С, нагретого воздуха - 800-850°С. Более высокая температура воздуха единственное преимущество керамических рекуператоров, недостатками их являются: неплотные соединения трубок между собой, через которые происходит утечка воздуха, изменяющаяся в процессе службы и нарушающая нормальное сжигание топлива; большие габаритные размеры из-за высокого теплового сопротивления керамической стенки, в связи с чем коэффициент теплопередачи в 4-5 раз меньше, а поверхность теплообмена во столько же раз больше, чем у металлического рекуператора. По схеме движения горячего и холодного теплоносителей различают рекуператоры прямоточные, противоточные и перекрестного тока (рис. 6). Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 23 Рис. 6. Схемы движения теплоносителей в рекуператоре: а прямоток; б - противоток; в - перекрестный ток По преобладающему виду теплоотдачи от дымовых газов к стенке рекуператоры могут быть конвективными, радиационными и конвективно-радиационными. 13. Теплообмен и температурные поля в рекуператорах Рассмотрим схему теплообмена при передаче теплоты через стенку рекуператора (рис. 7). Для определенности будем считать, что в рекуператоре нагревается сухой воздух, состоящий из двухатомных газов N2 и О2, которые прозрачны для тепловых лучей. Слева от стенки находится горячий теплоноситель - дым, в составе которого имеются трехатомные продукты горения СО2 и Н2О, способные излучать тепловой поток. В связи с этим коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке включает лучистую αдлуч и конвективную αдк составляющие: αд = αдлуч + αдк, тогда как со стороны воздуха только конвективную αв = αвк. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 24 Рис. 7. Схема теплопередачи через стенку рекуператора Тепловой поток от дыма к воздуху преодолевает три тепловых сопротивления: от дыма к стенке - 1/αд, внутреннее сопротивление стенки -S/α, и от стенки к воздуху - 1/αв. Как известно из теплотехники, коэффициент теплопередачи будет равен: 1 k= 1 S 1 Вт/(м2∙К), + + Д  В а тепловой поток через стенку площадью F, м2: Q = к  t  F Вт, (20) где к и t - средние по поверхности F значения коэффициента теплопередачи и разности температур между дымом и воздухом. Выражение (20) называют уравнением теплопередачи в рекуператоре, a t - средним «температурным напором», который находят по формуле среднего логарифмического (вывод формулы мы не приводим) t = t  − t  t  ln t  (21) Обозначения величин Δt' и Δt" показаны на рис. 8. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 25 Рис.8 Температурные поля для рекуператоров а- G Д  с Д  G В  с В ; б- G Д  с Д  GВ  с В Характер температурных полей на рис. 8 определяется уравнением теплового баланса рекуператора G Д  (iД − iД )  пот = GВ  (iВ − iВ ) или G Д  с Д (iД − iД ) пот = GВ  с В (iВ − iВ ) , (22) где GД и GB - массовые расходы дыма и воздуха в кг/с; t`д и t``д - температуры дыма на входе в рекуператор и на выходе из него, °С; t`B и t``B - то же для воздуха, °С; η|пот = 0,9-0,95 - коэффициент потерь теплоты в окружающую среду. Из уравнения теплового баланса (22) при ηпот = 1 получаем соотношения Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 26 GД  с Д GВ  с В = t В − t В t Д − t Д (23) По физическому смыслу, G Д  с Д и GВ  с В - это теплоемкости секундного расхода дыма и воздуха. Из (23) следует вывод: чем больше теплоемкость теплоносителя, тем меньше изменяется его температура в рекуператоре. На рис. 8 представлены температурные поля прямоточного и проти-воточного рекуператоров при G Д  с Д  G В  с В и при G Д  с Д  GВ  с В . Анализируя рис. 8, мы видим, что температура нагрева воздуха tB" при одинаковых значениях t`Д и t`B в прямоточном рекуператоре стремится к t``Д , а в противоточном - к t`Д, т.е. tB" будет меньше в прямоточном рекуператоре, при этом из-за существенного уменьшения текущего значения Δt = tД - tB количество передаваемой теплоты также уменьшается, поэтому в прямоточном рекуператоре экономически обоснованным считается предельное значение t Д `` < 0,5t Д ``. 14. Схема расчета рекуператора Цель расчета состоит в определении величины поверхности теплообмена F, которая является исходным параметром при проектировании. Массовые расходы теплоносителей и температуры tB`, tB`` и tД` должны быть заданы. В расчете используются два уравнения рекуператора: теплового баланса (22) и теплопередачи (20). Из уравнения (22) находят неизвестную температуру дыма на выходе из рекуператора tД`` и количество передаваемой воздуху теплоты Q. Q = GB  c â ( tâ ``−tâ `) Из уравнения (20) определяют искомую величину поверхности теплообмена Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 27 F= Q k  t Коэффициент теплопередачи "к" находят по формуле (19). В металлических рекуператорах внутреннее тепловое сопротивление стенки S/λ, пренебрежимо мало по сравнению с величинами - 1/αд и 1/αв, поэтому формула (19) упрощается k= αд· αв/( αд+αв) . Конструкции рекуператоров Конструкции рекуператоров разнообразны. В качестве примера рассмотрим рекуператоры трех конструкций: 15. Петлевой трубчатый рекуператор перекрестного тока (рис.9) выполняется из металлических труб ø57/50 мм, устанавливается в дымовом канале. Достоинством его является свободное удлинение труб при разогреве рекуператора, так как трубы находятся в подвешенном состоянии и не испытывают термических напряжений. Рис.9 Петлевой трубчатый рекуператор Воздух входит в один из двух коллекторов, затем движется внутри труб по петлевой траектории и выходит из второго коллектора. Поток дыма проходит вдоль дымового канала между трубами. Эти рекуператоры широко применяются на нагревательных печах для подогрева воздуха и газообразного топлива. 16. Струйный радиационный рекуператор (рис. 10) имеет плоскую поверхность теплообмена в виде металлического листа. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 28 Он устанавливается на дымовой канал сверху. Дым проходит по каналу под рекуператором и передает теплоту на поверхность теплообмена в основном излучением, так как скорость движения дыма в канале мала (2-3 м/с), а его температура довольно высока обычно более 1000°С. Поэтому конвективный тепловой поток от дыма к поверхности теплообмена значительно меньше, чем лучистый. Воздушные струи истекают из мелких отверстий коллектора на поверхность теплообмена, при этом конвективная теплоотдача происходит более интенсивно, чем при движении воздуха вдоль поверхности теплообмена. Рис. 10. Схема рекуператора струйного радиационного 17. Керамический трубчатый рекуператор (рис. 11) перекрестного тока служит для подогрева воздуха до 800-850°С. Дымовые газы проходят обычно внутри труб, воздушный поток омывает поверхность труб снаружи. Трубы выполняются из шамота, либо из смеси шамота с карборундом (SiC). Как отмечалось выше, керамические рекуператоры имеют низкую Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 29 газоплотность (из-за большого количества недостаточно плотных соединений труб между собой) и низкий коэффициент теплопередачи к=5-10 Вт/(м2·К). В связи с этим для высокотемпературного подогрева воздуха и газообразного топлива целесообразно применять регенераторы. Рис. 11. Керамический трубчатый рекуператор РЕГЕНЕРАТОРЫ 18. Общая характеристика регенераторов Регенератор металлургической печи представляет собой камеру, заполненную многорядной решеткой (насадкой) из огнеупорного кирпича, чаще всего динасового и шамотного, или из других штучных изделий. В работе регенератора различают два рабочих периода времени –τ1 и τ2. В течение периода τ1 через регенератор проходит горячий теплоноситель - дым, который нагревает огнеупорную насадку. Это дымовой период или период нагрева насадки. В течение периода τ2 через регенератор пропускают холодный теплоноситель - воздух или газообразное топливо. Это период дутья или период охлаждения насадки. Насадка отдает ранее аккумулированную теплоту нагреваемому воздуху или газу, т.е. выполняет роль Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 30 посредника в теплообмене между дымом и воздухом (газом). Печь потребляет топливо и воздух непрерывно, поэтому она должна иметь как минимум два регенератора для нагрева воздуха и два - для нагрева топлива, если есть необходимость в нагретом топливе. Такая необходимость возникает при отоплении печи низкокалорийным газом, чтобы обеспечить достаточную температуру горения. При наличии на печи одной пары регенераторов продолжительность периодов нагрева и охлаждения насадки одинакова τ1=τ2 . По два воздушных регенератора имеют мартеновские и нагревательные печи. Регенеративные нагревательные колодцы, работающие на доменном газе, имеют два воздушных и два газовых регенератора. В доменных воздухонагревателях длительность дымового и воздушного периодов разная, поэтому они оборудованы тремя или четырьмя регенераторами (кауперами). Если число регенераторов п больше двух, то τ2=(τ1+Δτ)/n-1, где Δτ - длительность операции переключения с дымового периода на воздушный и наоборот. Эту операцию на производстве называют "перекидка клапанов". Движение газов в регенераторах противоточное, греющий и нагреваемый газы проходят по одним и тем же каналам насадки, но в разные периоды времени и в противоположном направлении. Таким образом, регенератор, в отличие от рекуператора, это теплообменник нестационарного режима работы, в котором теплота передается от дымовых газов к воздуху либо топливу с помощью периодического нагрева и охлаждения огнеупорной насадки. Преимущество регенераторов состоит в возможности работы в условиях более высоких температур, при сохранении герметичности даже при высоком давлении теплоносителей. В доменных воздухонагревателях и в мартеновских печах температура дыма на входе в насадку tД` = 1400-1600°С, она ограничивается свойствами керамической насадки: огнеупорностью, термостойкостью, шлакоустойчивостью. Температура нагрева воздуха достигает значений tB``= 13001400°С. Недостатком регенераторов является необходимость перекидки клапанов и колебание температуры нагретого воздуха (топлива). Температурное поле регенератора представлено на рис. 12. При Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 31 постоянной температуре дыма tД`` и воздуха tB`` на входе в насадку температуры tд`` и tB`` изменяются во времени. В начале дымового периода охлажденная ранее насадка поглощает большее количество теплоты, чем в конце периода, когда разность температур дыма и насадки становится меньше. Поэтому на рис.12 температура дыма на выходе из насадки в начале дымового периода tДН`` меньше, чем в конце tДК`` этого периода. Рис. 12. Температурное поле регенератора tд`, tв` - температура дыма и воздуха на входе в регенератор; tдн``, tДК``- температура дыма на выходе из регенератора в начале и в конце дымового периода; tВН``, tBK`` - температура нагрева воздуха в начале и в конце воздушного периода; tHАС - температура насадки. Заштрихована область изменения tHАС в течение цикла «нагрев - охлаждение» Температура нагрева воздуха выше в начале воздушного периода, когда насадка имеет наиболее высокую температуру, т.е. tBH`` > tBK`` . Чтобы не допускать значительного колебания температуры нагрева воздуха или топлива, перекидку клапанов делают через несколько минут. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 32 19. Виды регенераторной насадки Наибольшее распространение получили насадки (решетки) из обыкновенного кирпича - динасового и шамотного. В зависимости от способа укладки кирпичей различают насадки типа Каупер (рис. 13,а) и типа Сименс (рис. 13,6). Насадка Каупера имеет только вертикальные каналы, она обладает повышенной строительной прочностью, но её удельная поверхность теплообмена, т.е. площадь соприкасающейся с газами поверхности кирпичей в м2 на 1м3 насадки, меньше, чем у насадки Сименса. Насадка Сименса имеет вертикальные и горизонтальные каналы, её строительная прочность ниже. Удельная поверхность насадок Сименса и Каупера находится на уровне 15-20м2/м3 в зависимости от размера каналов для прохода газов (ячеек). Рис. 13. Регенеративные насадки из кирпича типа Каупер (а) и типа Сименс (б) Специальный вид насадки из фасонных огнеупорных блоков для доменных воздухонагревателей имеет удельную поверхность 35-40м2/м3 . За последние 20 лет получили распространение малогабаритные регенераторы с шариковой насадкой. Корундовые шарики с содержанием А12О3=98% имеют высокую огнеупорность и термостойкость. Засыпка шариков диаметром 20 мм имеет удельную поверхность ~200m2/m3, т.е. на порядок выше, чем насадка из кирпичей. Шариковые регенераторы применяют в плавильных и Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 33 нагревательных печах. В нагревательных колодцах с отоплением из центра подины одного из металлургических комбинатов Украины керамические трубчатые рекуператоры были заменены компактными шариковыми регенераторами, при этом температура подогрева воздуха возросла с 600°С до 1100-1150°С, а расход топлива снизился на 30%. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 34 6-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. Продукт горения углерода СО2, десятилетиями накапливаясь в атмосфере, создает вокруг земли "парниковый эффект", изменяющий климатические условия, что может привести к экологической катастрофе. Мировое сообщество осознало эту опасность и с 90-х годов прошлого века принимает меры по сохранению объема использования углеродного топлива на существующем уровне. 20. 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 1м3 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 (1ккал=4,187 кДж). Твердое и жидкое топливо содержит следующие элементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), серу (S), а также золу (А) и влагу (W).Содержание каждого элемента измеряется в % массы. Различают органическую, горючую, сухую и рабочую (влажную) массу топлива. В табл. 1 представлен их элементарный состав и обозначение (индекс). Газообразное топливо состоит из смеси газов, содержание которых измеряют в % объема. Различают составы сухого и влажного (рабочего) газа. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 35 Таблица Элементарный состав твердого и жидкого топлива Индекс С О Г С Р Н N О S А W органическая масса горючая масса сухая масса рабочая (влажная масса) Теплоту сгорания обычно относят к 1 м3 влажного (рабочего) газа и к 1 кг влажного (рабочего) твердого и жидкого топлива. Её обозначают Qp. В зависимости от агрегатного состояния Н2О в продуктах горения теплота сгорания топлива может быть высшей Qвр или низшей Qнp. Если Н2О в продуктах горения находится в виде водяного пара, то теплота сгорания будет низшей, так как она не включает теплоту конденсации пара 2257кДж/кг (539ккал/кг). В высшую теплоту сгорания включают теплоту конденсации пара, образовавшегося при горении единицы топлива, и теплоту, выделяемую водой при охлаждении её от 100°С до ~ 40°С при атмосферном давлении. Поэтому разница между Qвр и Qнp составляет 2500 кДж на 1 кг Н2О. Температура дымовых газов, уходящих из металлургических печей, превышает 100°С, поэтому пар в них не конденсируется и в расчетах нужно пользоваться величиной Qнp. Формулы для расчета Qнp имеют следующий вид: 1) для газообразного топлива p Qн =127,7·СО +108·Н2 +358·СН4 +590·С2Н4 +555·С2Н2 + +636·С2Н6 +913·С3Н8 +1185·С4Н10 +1465·С5Н12 +234·H2S кДж/м3, где СО, Н2 СН4 и т.д. - процентное содержание газов в 1 м 3 влажного (рабочего) топлива; 2) для твердого и жидкого топлива (формула Д.И.Менделеева) p Qн = 340·Ср + 1030·Нр - 109 (Ор - Sp) - 25 Wp кДж/кг, (2) р р р p где С , Н , О , S - процентное содержание элементов в 1 кг влажного (рабочего) топлива. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 36 21. 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 С0 =96,5-97,5%; Н°=0,5-0,8%; О0=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. Сухой, очищенный от серы и смол коксовый газ имеет следующий состав: Н2с =46-61%; СН4с=21-30%; С mНnc=1,5-3,0%; СОС =4-8%; N2c=3,618%; О2c= 0,3-1,7%. Теплота сгорания составляет в среднем 17МДж/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 Qнp = 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%; СН4c= 0,1-0,4%; 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. Теплота сгорания мазута составляет 40-42 МДж/кг (950010000 ккал/кг). В его составе: Сг=85-87%; Нг=10-12,5%; Nг=0,51,0%; Sг=0,4-3.0%. Разные марки мазута различают по вязкости (жидкоподвижности). Так, при подогреве до 50°С мазут марки 100 вытекает из мерного сосуда с калиброванным отверстием в 100 раз Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 37 дольше, чем вода, а мазут марки 40 - в сорок раз дольше. Условное топливо. На металлургических предприятиях для отопления печей используют разные виды топлива. Для эквивалентного учета и сопоставления расходов топлива с различной теплотой сгорания было предложено вести учет расхода топлива не в м газа или в кг мазута, кокса, а в кг условного топлива (усл.т), теплота сгорания которого равна Qyсл.т=7000ккал/кг (29,3МДж/кг). Это равносильно тому, что учет будут вести по количеству теплоты топлива Q в мДж, израсходованной на производство продукции, но в более осязаемой форме - в килограммах или тоннах условного топлива. Чтобы найти расход условного топлива, нужно перевести МДж в кг.усл.т, а именно: Q  МДж  кг. усл.т = кг. усл.т  Q усл.т  = МДж 22. Реакции при сжигании топлива При сжигании топлива происходят реакции: СО+O2=CO2+qэкз СО2 H2+1/2 О2=H2O+qдrp H2O В качестве окислителя используется воздух: 21%O2+79%N2 Дымовые газы представляют собой смесь из СО2-10%, H2O-20% и N2- 70%. При высокой температуре СО2 и H2O обладают способностью излучать и поглощать тепло, а также создавать конвективную составляющую. В рабочем пространстве мы можем развить температуру 1500°CQнр + Qфв + QфТ Т кал = С ПГVПГ Qнр- теплотворная способность топлива (низшая рабочая). Она идет с учетом влажности. Qнс -сухое топливо. Qнр Qнс, т.к. пары воды займут часть объема - физические теплоты воздуха и топлива Если t°C воздуха =0, то Qфв и Qфт=0 Сп.г.- теплоемкость продуктов горения VПГ -объем продуктов горения. Тдействительная=Ткал (на основе закона о сохранении энергии) - пирометрический коэффициент, учитывающий безвозвратные Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 38 потери теплоты данной системы. = 0.65-0.75- для камерных печей = 0.75-0.85- для печей непрерывного действия. Если воздух будет холодным, по Ткал падает, а Тдейств увеличивается. При горячем воздухе снижается потребление горючего. Пути повышения калометрической температуры горения топлива: Qфв - за счет подогрева Qфт - за счет подогрева Vп.г. -за счёт обогощения дутья кислородом (снижение сожержания N2 в воздухе и дымовых газах). Реакции, происходящие в печи: С+О2=СО2+qэкзотерм и Н2+0.5О2=Н2О+qэкзотерм Содержания природного газа 90- 95%. В качестве окислителя в обычных условиях используется воздух, который состоит из 21% - кислорода и 79% - азота. Дымовые газы представляют собой смесь из СО2 – 10% , Н2О – 20% и N2 – 70%. При высокой температуре СО2 и Н2О обладают способностью излучать и поглощать тепло, а также создавать конвективную составляющую. В рабочем пространстве печи можем развить температуру примерно до 1500 0С. Действительная температура будет примерно равна 1800К. Действительная температура связана с каллометрической: Ткал=(Qнр+Qфв+Qфт)/(СпгVпт) (применили закон сохранения энергии) р Qн – теплота сгорания топлива, низшая, рабочая (химическая теплота топлива). Разница между Qнр и Qвр заключается в том, что Qнр < Qвр. Qнс – теплота сгорания сухого топлива. Qнр < Qнс Qфв и Qфт – физические теплоты воздуха и топлива. Если температуры воздуха и топлива равны 0 0С, то и Qфв и Qфт соответственно равны нулю. Спг – теплоемкось продуктов горения. Vпг – объем продуктов горения. Закон сохранения энергии, если Спг и Vпг перенести в левую часть: Т действ =   Т кал  - пирометрический коэффициент, учитывающий безвозвратные Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 39 потери теплоты в данной системе (в рабочем пространстве печи).  определяют опытным путем.  =0.65…0.75- для печей периодического действия.  =0.75…0.85-для печей непрерывного действия. Регулератор в печи предназначен для увеличения Qфв за счет теплоты отходящих дымовых газов. За счет увеличения Qфв увеличивается и Ткал и Тдейств, а это нежелательно. Следовательно нужно уменьшить подачу топлива для поддержания требуемого технологического режима. Если регулератор прогорит , то может произойти взрыв. Ткал может быть увеличено за счет обогащения дутья кислородом. Мазут подогревают (особенно в зимнее время) до 300 0С (не более, так как может произойти спекание). Шибер предназначен для регулирования давления в рабочем пространстве печи. В печи должно быть небольшое избыточное давление. При работе печи с переменной тепловой нагрузкой меняется расход топлива, а следовательно и объем (выход) продуктов горения. 23. Полное и неполное горение топлива. Коэффициент расхода воздуха Для горения топлива необходим кислород, который содержится в воздухе. Топливо и воздух называют компонентами горения. Объем воздуха, необходимый для полного сгорания единицы топлива (1кг или 1м3), называют теоретическим объемом воздуха и обозначают Lo. Его вычисляют по химическим реакциям окисления составляющих топлива, приведенным в таблице 2. Сначала определяют необходимый объем кислорода Vо2 , а затем воздуха: L0 = VO2 K O2 , где Ко2 - содержание кислорода в воздухе в частях объема. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 40 Таблица 2 Реакции горения компонентов топлива и теоретический расход кислорода на их сжигание № Горючие вещества Реакции горения Расход кислорода пп Единица V02 измерения 1 Углерод С С+О2 = СО2 м3/кг 1,867 2 Водород Н2 Н2+0,5·О2 = Н2О м3/кг 5,6 3 3 м /м 0,5 3 Cepa S S+O2 = SO2 м3/кг 0,7 3 3 4 Оксид углерода СО+0,5О2 = СО2 м /м 0,5 3 3 5 Сероводород H2S H2S+1,5O2 = м /м 1,5 H 2O+SO 6 Метан СН4 СН = м3/м3 2,0 4+2О22 СО 2+2Н 2О 7 Углеводороды C ) O2= м3/м3 m+n/4 mH n+(m+n/4 CmHn = m·CO2+(n/2)·H2O В обычном воздухе КО2=0,21 или 21% и 79%N2. При обогащении воздуха кислородом КО2>0,21. На практике для обеспечения полного сгорания топлива нужен некоторый избыток воздуха в количестве 5-25% от теоретически необходимого в зависимости от типа сжигательных устройств. Отношение фактического объема воздуха Ln к теоретически необходимому Lo называют коэффициентом расхода воздуха n=Ln/L0. При достаточном избытке воздуха (n> 1) происходит полное сгорание топлива. В продуктах полного горения содержатся СО2, Н2О, N2 (из топлива и воздуха) и свободный кислород О2. Фактический объем продуктов горения -дымовых газов - Vд больше, чем теоретический при n=1, на величину объема избыточного воздуха. При недостатке воздуха, т.е. при n< 1, сгорание топлива становится неполным. В продуктах неполного горения появляются оксид углерода СО, водород Н2. Несгоревший метан СН4 и тяжелые углеводороды СmНn входящие в состав топлива, разлагаются на водород и сажистый углерод. Сажа в виде копоти сопутствует Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 41 горению с недостатком воздуха. При большом недостатке воздуха в продуктах горения появляется неразложившийся метан и другие углеводороды. Химический недожог топлива при n<1 обычно является вредным явлением, поскольку приводит к перерасходу топлива. В ряде случаев недожог необходим для создания восстановительной газовой среды, например, в доменных печах, в нагревательных печах безокислительного нагрева металла. Состав сухих продуктов горения, т.е. без учета содержания Н2О, определяют с помощью газоанализатора. Величина химического недожога определяется по формуле: QХН=(127,7·СОДс+108·H2дc+358·СH4 дc)·Vдс, кДж/м3, где СОДс, H2дc, СH4 дc - объемное процентное содержание горючих компонентов в сухих дымовых газах; Vдс - объем сухих дымовых газов при сжигании единицы топлива с учетом химического недожога, м3 /ед.топлива. 24. 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). Величину калориметрической температуры (tкал) находят из теплового баланса горения единицы топлива: Qнр + Qф.в + Qф.т − Qхн = V Д  с Д  tкал , откуда: t кал = Q нр + Qф.в + Qф.т − Qхн VД  с Д , (3) Qф.в = Ln  c в  t в где физическая теплота воздуха, предварительно нагретого до температуры tв перед подачей в печь, Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 42 кДж/ед.топлива; здесь с В -средняя удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, в интервале температур от 0°С до tв °С, кДж/(м3·К); Qф.т = c Т  tТ - физическая теплота топлива, предварительно нагретого до температуры tг перед подачей в печь, кДж/ед.топлива; здесь c Т - средняя удельная теплоемкость топлива при постоянном давлении, в интервале температур от 0°С до tT °C, в кДж/м топлива - для газообразного топлива или в кДж/кг топлива - для жидкого и твердого топлива; Vд - действительный (фактический) объем дымовых газов при сгорании единицы топлива, м3/ед.топлива; c Д - средняя удельная теплоемкость дымовых газов при постоянном давлении в интервале температур от 0°С до tкал °C, определяемая по расчетному составу продуктов сгорания, кДж/(м3·К). Из формулы (3) следует, что величина tкал определяется не только качеством топлива, т.е. теплотой его сгорания Qнр, но и условиями сжигания. Обратим внимание на величины Qф.в и Qф.т.. Предварительный подогрев компонентов горения повышает tкал. Для природного и коксового газа, а также для мазута подогрев воздуха на каждые 100°С увеличивает tкал на 65-70°С. При сжигании доменного газа одновременный подогрев воздуха и газа на 100°С увеличивают tкал примерно на 80°С. Для повышения температуры горения кокса в фурменной зоне доменной печи воздух предварительно подогревают до 11001350°С. При отоплении мартеновской печи природным газом воздух подогревают до 900-1000°С. Нагревательные высокотемпературные печи прокатного производства, можно отапливать бедным доменным газом, если подогреть воздух и газ до 800-900°С. Наибольшее значение tкал соответствует полному сгоранию с теоретическим объемом воздуха, т.е. при n=1. При избытке воздуха из-за увеличения объема дымовых газов Vд, а при недостатке воздуха из-за химического недожога QXH калориметрическая и действительная температура горения снижается. Калориметрическую температуру горения рассчитывают, полагая, что реакции окисления горючих элементов топлива являются Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 43 необратимыми и идут лишь в одну сторону до образования конечных продуктов окисления - СО2 и Н2О. В действительности реакции СО+0,5·О2<=>СО2 и Н2+0,5·О2<=>Н2О являются обратимыми и при температурах >1700°С, которые достигаются в плавильных печах, обратные реакции диссоциации СО2 и Н2О, идущие с поглощением теплоты, понижают температуру горения. Температура дымовых газов, рассчитанная с учетом диссоциации СО2 и Н2О, получила название теоретической tтеор Она всегда меньше tкал и её рассчитывают по формуле, аналогичной (3): t теор = Qнр + Qф.в + Qф.т − Qхн − Q ДИС VД  с Д , Теплоту диссоциации QДИС рассчитывают с помощью графика (рис.1), по которому находят степень диссоциации, т.е. долю диссоцированных газов СО2 и Н2О от объемов этих газов в продуктах горения единицы топлива. Обозначив степень диссоциации ζСО2 {дзэта} и ζH2O получим, что: QДИС= ζСО2∙127,7∙СО2+ζH2O∙Н2O, где СО2 и Н2О - расчетное содержание этих компонентов в составе продуктов полного горения топлива (% объема). Чтобы сравнить уровень температуры горения разных видов топлива в одинаковых стандартных условиях, ввели понятие "нормальная калориметрическая температура горения" – tкалн. Её рассчитывают при следующих условиях: a) tв=tг=0°С, т.е. Qф.в=Qф.т=0; б) топливо сгорает полностью с теоретическим расходом сухого воздуха, т.е. n= 1; О2=21%; N2= 79%; QXH= 0; в) QДИС=0; г) горение происходит при атмосферном давлении Ратм=101,3 кПа. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 44 Тогда: t н кал QНр = теор VД  с Д Величина tкалн примерно равна: для доменного газа 1400°С, для коксового газа 2030°С, для природного газа 1990°С, для малосернистого мазута марки 100 2140°С. Рис.1. Степень диссоциации СО2 и H2O 25. Расчеты горения топлива Расчет полного горения топлива состоит из следующих вычислительных операций. 6.1. Пересчет заданного состава топлива на рабочее топливо, характеризующее его состав в производственных условиях Если задан состав сухого газообразного топлива и содержание влаги в 1м3 сухого газа fГ (г/м3 сух. г.), то коэффициент пересчета на влажный газ будет вычислен из выражения, 100  f Г 100 − H 2 O H O = , где 2 803,6 + f Г 100 Состав влажного (рабочего) газа находят умножением концентрации компонентов сухого газа на коэффициент пересчета, например: СОР=СОС·К H2P = H2C·К и т.д. Пересчет состава твердого и жидкого топлива выполняют с помощью коэффициентов пересчета, формулы которых представлены в табл. 3. K= Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 45 Таблица 3 Коэффициенты пересчета заданного состава твердого и жидкого топлива на рабочий состав топлива Заданный состав топлива Органическая масса Горючая масса Сухая масса Рабочая масса Рабочий состав топлива 100 - (SP + A p + W p ) K= 100 100 − (A P + w P ) K= 100 K= 100 - Wp 100 K=l 6.2. Определение теплоты сгорания Низшую теплоту сгорания вычисляют по формуле (1) для газообразного топлива или по формуле (2) для твердого и жидкого топлива. Для смеси двух газов теплота сгорания может быть задана. В этом случае необходимо найти долю каждого газа в смеси и состав смеси. Если обозначить теплоту сгорания смеси Qнсмр , первого газа Qн1р, второго газа Qн2р, то доля первого газа в смеси: P QHP 2 − QНсм х= P QH 2 − QНP1 Доля второго газа будет равна 1-х. Теплота сгорания каждого газа вычисляется по формуле (1) в соответствии с его заданным составом. Состав смеси находим по содержанию компонентов в первом и втором газах, например: СОсмР=СО1Р·х+СО2р· (1-х) и т.д. 6.3. Определение количества воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива, и количества продуктов полного горения Будем считать, что содержание кислорода в сухом воздухе КО2=0,21. Исходя из стехиометрических соотношений реакций горения, приведенных в табл. 2, при заданном коэффициенте Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 46 расхода воздуха n, находим Lo, Ln и VД по следующим формулам. Для твердого и жидкого топлива. Теоретически необходимое количество воздуха будет зависеть от влагосодержания воздуха. Теоретическое количество сухого воздуха: L0c= [0,0889·Ср + 0,2667·Нр + 0,0333·(Sp- Ор)] м3/кг топлива. Теоретическое количество влажного воздуха: Lo = L0c (l + 0,00124 ·fB), м3/кг топлива, где fB - влагосодержание воздуха в г/м3 сухого воздуха. Действительное количество воздуха Lnc =n·L0c; Ln = n·Lo м3/кг топлива. Количество продуктов горения в м3/кг топлива VCO2=0,0187·Cp; VH20=0,112·Нр+0,0124·Wp+0,00124·fB·Lnc ; VS02=0,007·Sp; VO2=0,2l(n-l) ·Loc; VN2=0,008·Np + 0,79·Lnc. Суммарное количество продуктов горения: Vд= VCO2+ VH20+ VS02+ VO2+ VN2 Процентный состав продуктов горения: VCO2 CO 2 =  100% и т.д. V Д Для газообразного топлива. Теоретически необходимое количество сухого воздуха  p 0,5  H 2 + 0,5  CO p + 1,5  H 2 S p +  m +  LC0 = 0,21 n p p   Cm H n − O2 4 м3/м3 топлива. То же для влажного воздуха: Lo = L0c·(l+0,00124·fB) м3/м3 топлива. Действительное количество сухого и влажного воздуха Lnc = n·L0c; Ln = n·Lo м3/м3 топлива. Количество продуктов горения в м3/м3 топлива VC02=0,0l(CO2p + СОр + ∑m·CmHnp); VH2O = 0,01(H2P +∑(n/2) CmHnp)+ fГ·0,00124+ fВ·0,00124·Lnc; VCO2 = 0,01·H2Sp; Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 47 VN2 = 0,01·N2P+0,79·Lnc; VO2=0,2l(n-l)·Loc. Суммарное количество продуктов горения Vд=Vco2 +VH2O + Vso2 +VN2 +VO2 м3/м3 топлива. Процентный состав продуктов горения: VCO2 CO2 =  100 и т.д. V Д 6.4. Определение температуры горения топлива Калориметрическую температуру горения вычисляют из формулы (3), теоретическую (с учетом диссоциации СО2 и Н2О) - из формулы (4), нормальную калориметрическую - из формулы (5). Действительная температура продуктов горения в печи примерно равна Тдейст = (0,65 - 0,75) • tкал. 26. 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%. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 48 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. 27. Горелки для сжигания газа Важнейшим элементом топливной печи являются устройства для сжигания газа или мазута. Устройства для сжигания газа называют Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 49 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 (рис. 2,а). рис. 2,а Инжекционная горелка 1 - собственно горелка; 2 - огнеупорный туннель 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 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 50 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 воздуха 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. На рис. 2, б, в, г представлены конструкции двухпроводных горелок без предварительного перемешивания. 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. б в Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 51 г Рис. 2. Виды газовых горелок без предварительного смешивания: б - дутьевая типа «труба в трубе» без предварительного смешивания; в - дутьевая для природного газа с закруткой воздуха; г - дутьевая сводовая плоскопламенная с закруткой воздуха и газа; 1 собственно горелка; 2 - огнеупорный туннель Горелки типа "труба в трубе" с почти параллельными потоками газа и воздуха (см. рис. 2,6) 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 (см. рис. 2,в) 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 (см. рис. 2,г). 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 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 52 прижимается к стенкам огнеупорного туннеля, имеющего форму граммофонной 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 большую излучательную способность, чем дымовые газы, передает металлу, нагреваемому в печи, больший лучистый тепловой поток. Плоскопламенные горелки рассчитывают на работу с природным, коксовым газом 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. 28. 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 1520°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 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 53 давлением 5-20 кПа, при котором обеспечивается скорость его истечения 80-100м/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, удельный расход 1,0-1,5 кг/кг мазута, пар может быть сухой насыщенный или перегретый с температурой 200-300°С под давлением 700-900 кПа, удельный расход пара 0,81,0 кг/кг мазута. Скорость истечения распылителя составляет сотни метров в секунду. Форсунки высокого давления могут иметь большую пропускную способность. Их применяют на крупных металлургических печах. а б Рис. 3. Виды мазутных форсунок: а - форсунка низкого давления; б - форсунка высокого давления; 1- собственно форсунка; 2 форсуночная коробка Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 54 На рис. 3,б показана установка на печи форсунки высокого давления в форсуночной коробке, через которую подают вентиляторный воздух, необходимый для сжигания мазута. На рис. 3,а представлена форсунка низкого давления. Методика выбора и расчета форсунок, а также детальное описание их конструкции приводятся в специальной литературе. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 55 7-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. 29. 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 физикохимического 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 Трабмах значительно ниже, чем Тогн. В таблице 4 приведены свойства наиболее широко используемых печных огнеупоров. Все огнеупоры характеризуются такими важными эксплуатационными показателями, как термостойкость, шлакоустойчивость, строительная прочность, изменение объема при нагреве, которые определяют их применение для строительства элементов печей. Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 56 Таблица 4 - Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 57 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. Рассмотрим 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 нагревательных колодцев, которая не охлаждается ниже 600°С, для кладки распорных сводов. Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% А12О3. 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 А12О3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве. Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен. Применяются вместо шамота в условиях более Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 58 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 > Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 59 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. 30. Теплоизоляционные печестроении материалы, применяемые Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 в Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 60 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. 5). Марка кирпича в табл. 5 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 5 - 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 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940 Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected] )Теплотехника https://vk.com/club186081940 61 слоя, в термических печах. Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей. В таблице 6 представлены некоторые виды волокнистых огнеупорных изделий и их свойства. 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. Таблица 6 Виды волокнистых огнеупорных изделий Северского огнеупорного завода (Донецкая область) Григорьев Андрей Анатольевич ( [email protected])Теплотехника https://vk.com/club186081940