Энергосберегающий нагрев шахтной печи современными рекуперативными горелками
Промышленные газовые горелки служат для преобразования энергии газа в технологическое тепло. При прямом нагреве тепло передается преимущественно путем конвекции на материал и на стенки печи. При косвенном нагреве это относится ко внутреннему пространству излучающих труб, так как эти трубы передают тепло печи преимущественно путем излучения.
На первом месте в целях научных разработок в горелочной технике стоит, естественно, оптимизация распределения температуры в печи. Затем следует экономичность с учетом коэффициента полезного действия преобразования энергии и инвестиции, влияние на окружающую среду из-за эмиссии вредных веществ и шума и, наконец, безопасность процесса с использованием автоматики не требующей, по возможности, технического обслуживания. Расположение горелок и распределение поступающей в печь энергии
Во время оценки промышленной печи прежде всего возникает вопрос о наиболее благоприятном расположении горелок с целью наиболее равномерного распределения температуры. Для увеличения конвекции при прямом нагреве импульс пламени преобразуется в энергию потока, для чего наиболее приемлемым является, как правило, тангенциальное обтекание полезного пространства. Для снижения пика температур в пламени требуется определенная длина потока в отношении к диаметру d сопел горелки, чтобы избежать высокотемпературных перегревов или же температурных пятен на противоположной стенке. Длина струи должна быть больше чем на 50 d. Проточные каналы также должны обладать достаточными размерами, чтобы тепловой поток смог полностью покрыть полезное пространство. Данная взаимосвязь четко показывает, что при высоких требованиях к равномерности температуры в печи, подача энергии в печь должна быть распределена между как можно большим количеством горелок. Это значит увеличение пространства нагрева, однако соответственно увеличиваются расходы на строительные работы и потери в следствии большей теплоотдачи стен печи.
Рекуперативные горелки Существенное различие между конвекционной системой с центральным рекуператором и рекуперативными горелками состоит в расположении и конструкции теплообменника. Проточные каналы и поверхность теплопередачи в рекуперативных горелках лучше оптимизированы, чем при использовании центрального рекуператора и таким образом достигается более высокая удельная мощность теплопередачи. При использовании рекуперативных горелок отсутствуют необходимые для центрального рекуператора воз-душные короба и трубопроводы на «горячей» стороне для подачи теплого воздуха. Отходящие газы при их использовании собираются в коллектор, одна-ко, изоляция обычно не требуется.
Система с центральным рекуператором Для системы с центральным рекуператором вентили горячего воздуха должны надежно работать на каждой горелке при воздействии высокой температуры и при давлении от 2 до 6 кПа при высокой частоте включения. Также имеются проблемы с равномерным распределением горячего воздуха на каждую отдельную горелку.
Модернизация печей с нагревательными излучающими трубами
Существует множество причин, по которым решают искать альтернативные системы излучающих труб для существующих печей. На рынке также существует множество вариантов радиантных излучающих труб от различных производителей. Для выбора наилучшего решения требуется детальный анализ существующих печей, глубокие знания оборудования горелок и протекающих процессов, а также творчество для поиска экономического решения, которое не отразится негативно на технических характеристиках оборудования. Следующие примеры должны дать представление о многообразии вариантов и способов решений. Примеры относятся к проектам по модернизации, но многие мысли относятся также к применению нового оборудования без его изменения.
Типы радиантных излучающих труб На рынке представлены излучающие трубы в различных видах исполнения и наиболее часто встречающиеся из них показаны на рисунке 1. Прямые, U-образные трубы и тупиковые трубы-оболочки выполняются не только из специальных легированных сплавов, но также из керамики, преимущественно химически связанного SiSiC. Доля рынка керамических излучающих труб растет сейчас быстро. Радиантные трубы из керамики, хрупкие, но стойкие и успешно сопротивляющиеся воздействию высоких температур и тепловых ударов, имеют хорошую прочность даже при высоких температурах.
керамическая излучающая труба
Проекты по модернизации Проекты по модернизации печей редко выполняются только из компонентов, поставляемых по каталогу, обычно они происходят при тесном сотрудничестве заказчика и поставщика. Проекты по модернизации проводятся производителями печей, поставщиками горелок, машиностроительными фирмами или при их совместной работе, в зависимости от размера и сложности проекта.
Начальной точкой модернизации обычно является:
Часто анализ существующего оборудования выявляет возникающие проблемы и в некоторых случаях решением может быть незначительная модификация оборудования. В большинстве случаев, очень полезно сделать полный тепловой баланс процесса. Такие данные как:
После обсуждения задачи и усовершенствований, которые должны быть достигнуты, может быть вновь проведен предполагаемый тепловой баланс, для того, чтобы увидеть условия работы оборудования после возможной модификации.
Рекуперативные горелки для прямого нагрева промышленных печей
Промышленные газовые горелки служат для преобразования энергии газа в технологическое тепло. При прямом нагреве тепло передается преимущественно путем конвекции на материал и на стенки печи. При косвенном нагреве это относится ко внутреннему пространству излучающих труб, так как эти трубы передают тепло печи преимущественно путем излучения.
На первом месте в целях научных разработок в горелочной технике стоит, естественно, оптимизация распределения температуры в печи. Затем следует экономичность с учетом коэффициента полезного действия преобразования энергии и инвестиции, влияние на окружающую среду из-за эмиссии вредных веществ и шума и, наконец, безопасность процесса с использованием автоматики не требующей, по возможности, технического обслуживания. Расположение горелок и распределение поступающей в печь энергии
Во время оценки промышленной печи прежде всего возникает вопрос о наиболее благоприятном расположении горелок с целью наиболее равномерного распределения температуры. Для увеличения конвекции при прямом нагреве импульс пламени преобразуется в энергию потока, для чего наиболее приемлемым является, как правило, тангенциальное обтекание полезного пространства. Для снижения пика температур в пламени требуется определенная длина потока в отношении к диаметру d сопел горелки, чтобы избежать высокотемпературных перегревов или же температурных пятен на противоположной стенке. Длина струи l должна быть больше чем на 50 d. Проточные каналы также должны обладать достаточными размерами, чтобы тепловой поток смог полностью покрыть полезное пространство. Данная взаимосвязь четко показывает, что при высоких требованиях к равномерности температуры в печи, подача энергии в печь должна быть распределена между как можно большим количеством горелок. Это значит увеличение пространства нагрева, однако соответственно увеличиваются расходы на строительные работы и потери в следствии большей теплоотдачи стен печи.
Рекуперативные горелки Существенное различие между конвекционной системой с центральным рекуператором и рекуперативными горелками состоит в расположении и конструкции теплообменника. Проточные каналы и поверхность теплопередачи в рекуперативных горелках лучше оптимизированы, чем при использовании центрального рекуператора и таким образом достигается более высокая удельная мощность теплопередачи. При использовании рекуперативных горелок отсутствуют необходимые для центрального рекуператора воз-душные короба и трубопроводы на «горячей» стороне для подачи теплого воздуха. Отходящие газы при их использовании собираются в коллектор, одна-ко, изоляция обычно не требуется.
Система с центральным рекуператором Для системы с центральным рекуператором вентили горячего воздуха должны надежно работать на каждой горелке при воздействии высокой температуры и при давлении от 2 до 6 кПа при высокой частоте включения. Также имеются проблемы с равномерным распределением горячего воздуха на каждую отдельную горелку.
Опыт работы при применении горелок с режимом беспламенного горения
Краткое содержание Летом 1994 года на многих конвейерных печах крупного производителя мягких магнитных материалов были заменены все горелки в системе излучающих труб. Это мероприятие было необходимо по причине перехода снабжения предприятия с коксового газа на природный газ. Всего в эксплуатацию были введены около 1300 новых горелок с излучающими трубами трёх различных конструкций: горелки с металлическим рекуператором (Rekumat M), полностью керамические излучающие трубы с горелками с керамическими рекуператорами (Rekumat C) и горелки с металлическим рекуператором работающие в режиме беспламенного окисления FLOX® (Rekumat FLOX®) для достижения низкого значения NOx. Эксплуатация в течении года показала, что излучающие трубы с горелками всех трёх типов, особенно горелки с режимом FLOX® и полностью керамические излучающие трубы, являются надежными в эксплуатации и действительно работают со свойствами, указанными в технической документации изготовителя.
Фирма по производству электромагнитных материалов EBG (Thyssen Krupp) производит кремне-стальной лист толщиной от 0,2 до 1 мм и шириной до 1270 мм для применения в электротехнике. Эта сталь известна также под названием электротехническая листовая сталь и применяется в электротехнике для приводных двигателей, генераторов, трансформаторов, преобразователей, реле и в других областях.Хорошие магнитные и технологические свойства в сочетании с невысокими ценами создали идеальные предпосылки для массового и рентабельного применения материалов. Электротехническая сталь выделяется особенно по своим хорошим ферромагнитным свойствам. Для достижения этих свойств необходима особая кристаллическая структура, для создания которой необходимы специальные условия термической обработки. При этом должны быть достигнуты хорошие свойства обработки материала вместе с низкими потерями на перемагничивание и высокие значения поляризации.
В DIN 46 400 части 1,2 и 4 нормированы классы материалов по их свойствам. Кроме всего прочего существует широкий спектр так называемых «особенностей». Все вместе исходные материалы при таком применении создают предпосылки для возможности большой экономии энергии.
При норме выпуска от 300 000 до 400 000 тонн/год бохумский завод является одним из самых больших производителей подобной продукции во всём мире.Для термической обработки применяется колпаковая печь и три конвейерных печи.
Регенеративные горелки для печи отпуска и нормализации труб
Новая горелочная техника разрабатывается на основе принципа рекуперации тепла в интегрированном теплообменнике. При этом потребление природного газа снижается более чем на половину, а выбросы оксидов азота NOx уменьшаются до очень низкого уровня. Новая печь для отпуска и нормализации труб оснащена усовершенствованной системой нагрева, включающей в себя полностью компьютеризированное управление для оптимальной точности и повышения качества продукта. Промышленный опыт применения при производстве различных видов труб прошел с очень хорошими результатами и подтвердил потенциал новой технологии горения FLOX®.
На сегодняшний день, природный газ используется как основное топливо для нагревательных и термических печей как непрерывного, так и периодического действия. В случае если он доступен, природный газ имеет огромное преимущество по сравнению с побочными газами доменного, коксового производства и жидким топливом. Он чист и имеет высокую теплоту сгорания, при правильно организованном сжигании, выделяется минимальное количество вредных выбросов. Для его сжигания нужно простое и недорогое оборудования; к тому же, он подается с постоянным давлением и составом, практически в любом количестве.
Между тем, цена природного газа растет так же, или даже быстрее, как цена на нефтепродукты. В большинстве стран-производителей стали в 2000 году цена возросла примерно на 25%. Затраты на потребляемый газа, как часть текущих затрат, вряд ли уменьшатся в будущем и могут существенно возрасти в дальнейшем. Другим фактором является необходимость в большом внимании и новых решениях в конструкции и управлении газосжигающего оборудования, как следствие всё более строгих требований к ограничению выбросов в атмосферу. Оба фактора являются серьезной причиной для поиска путей существенного снижения потребления энергии в высокотемпературных процессах, и не только в производстве металла – наибольшего энергопотребителя, но и в других отраслях, таких как производство стекла, керамики, и в нефтехимической промышленности.
Фирма WS Wärmeprozesstechnik GmbH (WS) (Германия) в течении многих лет разрабатывает передовые газовые горелки с догревом воздуха для горения во встроенном рекуператоре для термообработки. Несколько десятков тысяч подобных горелок установлены на заводах всего мира (J.G. Wünning, 16th ASM Heat Treating Conference and Exposition, Cincinnati, USA, 1996). В металлургической промышленности предъявляются высокие требования к линиям с печами непрерывного действия и существует широкий диапазон граничных условий, с учетом которых была разработана регенерационная горелка для работы при высоких температурах. Новая система была разработана совместно с Tecnocentro и CSM в Италии и опробована на новом заводе группы AST-Nirosta в Terni. Проект осуществлялся при частичной поддержке Европейского Союза и на базе know-how разработанного A. Milani, G.V. Salamone и J.G. Wünning (GASWÄRME International, 46, 1997, 606-612). При этом использовалась печь для отжига ленты из нержавеющей стали, которая была оборудована новой техникой, успешно проработавшая в течении многих лет.
Применение новых плоскопламенных горелок в печах с выкатным подом
Нагрев кузнечных слитков в печах с выкатным подом можно значительно улучшить при применения горелок специальной конструкции с керамическим соплом, равномерно распределяющим тепло, уменьшая при этом уровень образования окалины и повышая производительность.
Применение таких горелок обеспечивает очень низкий уровень выделения окислов азота (NOx) и является экономически выгодным благодаря значительной экономии энергии. На специализированном металлургическом заводе Buderus установлено технологическое оборудование для производства горячекатаной и холодно-катаной полосы, проката, литья и поковок, с годовой производительностью около 85000 тонн. Слитки нагреваются в отапливаемых газом автоматических печах с выкатным подом. На заводе установлено оборудование для обрубки, печи для отжига, вертикальные и горизонтальные печи для отпуска. Максимальная длина заготовки, помещаемой в печь с выкатным подом, 15 метров. Для механической обработки имеются станки с цифровым управлением (токарные, отрезные, сверлильные и т.д.) различных размеров. Сортамент кузнечных изделий включает в себя механически обработанные изделия для оборудования общего назначения и для энергетического оборудования, механически обработанные стальные валы и кованые штанги. Максимальный вес составляет около 80 тонн.
Исходная ситуация Печи с выкатным подом предназначены для термообработки особо крупных заготовок. Рассматриваемая печь имеет длину примерно 10 м и ширину 4.5 м, и оборудована 18 высокоскоростными рециркуляционными горелками мощностью 250 кВт каждая в соответствии с номиналом, общий максимальный расход природного газа 450 нм3/час. На каждой из двух боковых стенок было установлены по 9 таких горелок, горящих прямым факелом с сильной струей . Тележки загружаются раздельно, задвигаются на место, при этом автоматически обеспечивается герметизация между дном печи и днищем тележки. Пламя и горячие газообразные продукты сгорания направляются между днищем те-лежки и кузнечными слитками до противоположной стенки, откуда они направляются вверх к своду и, в конечном итоге, повторно увлекаются той же первоначальной струей из горелки. Ввиду особенностей такой конструкции, нагреваемые перед ковкой слитки нельзя укладывать непосредственно на дно тележки, их необходимо размещать в строгом порядке на прочных стальных опорах размером 400 × 400 мм. Опоры необходимо уложить в точно определенные места перед загрузкой, в противном случае пламя будет бить непосредственно в поверхность слитка, следствием чего будет дополнительное окисление и нарушение распределения тепла. При таком неправильном нагреве вследствие отклонения факела, возможен локальный перегрев опоры и слитка, и возможно нарушение процесса прогрева всего слитка, либо этот процесс займет больше времени. Кроме то-го, возможно также повреждение насадок задействованных горелок вследствие чрезмерного перегрева. Максимальный общий расход топлива был 210 нм3/час природного газа во время, необходимого для регулирования по принципу вкл-выкл.: 60 секунд горелки на одной боковой стенке, затем 60 секунд горелки на противоположной стенке и т.д., поэтому в каждый конкретный момент времени была доступна только половина из установленных 18 горелок. Печь была поделена на три зоны. Предварительный нагрев воздуха и способы снижения уровня выбросов окислов азота вообще не применялись.
Беспламенное окисление: Горение с низким образованием NOx также при сильном догреве воздуха для горения
При беспламенном окислении газообразное топливо преобразуется невидимо и без обычного шума пламени. Поскольку
отсутствуют температурные пики во фронте пламени, также становится возможным дальнейшее подавление температурного образования NO при более высоком догреве воздуха. В представленной статье предварительно объясняется принцип беспламенного окисления.
Самым распространенным способом преобразования энергии из химически связанного состояния является сжигание в технических устройствах.
Образующееся при сгорании тепло применяется, например, для нагрева промышленных печей, для получения технического пара или же для выработки механической или же электрической энергии. При горении образуются углерод, водород или их самые различные соединения, по возможности полностью окисленные до углекислого газа и водяного пара. Необходимый для реакции кислород берется в основном из воздуха, где его содержание около 21%. Остальная часть воздуха – это в основном азот, который при горении рассматривается как инертный газ. Определение «инертный газ» действительно, однако, только для энергетической картины. При высоких температурах реагирует часть азота со свободными атомами по механизму Целдовича до окиси азота. Этот процесс определяется также как термическое образование окиси азота, поскольку реакция сильно зависит от температуры. Существенное образование термического NO начинается от около 1600°С и очень сильно растёт с ростом температуры. Адиабативная температура горения обычного топлива достигает при использовании воздуха около 2000°С и соответственно повышается при предварительном нагреве воздуха для горения. Это ведет к тому, что при процессах горения, еще до введения граничных значений на допустимые выбросы, необходимо предпринять меры к снижению образования NO. Стоит упомянуть, например, очистку отходящих газов, технику ступенчатой подачи воздуха и газообразного топлива, распыление через специальные насадки воды, обратная подача отходящих газов и, не в последнюю очередь, ограничение температур процесса и предпрогрева воздуха горения, со связанным с этим снижением эффективности горения.
Принцип беспламенного окисления опирается на предварительное смешивание газов горения с инертными газами в таком соотношении, что даже при высоком догреве воздуха можно избежать таких больших температурных пиков, как во фронте пламени. На рисунке 1 показаны максимальные температуры реакции смеси топливо/воздух/отходящие газы в зависимости от температуры предпрогрева воздуха. Kv обозначает при этом отношение рециркулированного массового потока к сумме массовых потоков газообразного топлива и воздуха. При этом мы исходим от полностью достаточной молекулярной смеси перед реакцией. Температура в пространстве горения достигает 1000°С и соответствует температуре рециркулируемых отходящих газов. При Kv=0, что соответствует отсутствию рециркуляции отходящих дымовых газов, проистекает адиабативная температура горения около 2000°С , при чем по определению не учитывается диссоциация продуктов горения. Эта температура растет при повышении температуры предпрогрева воздуха. При этом мы упрощенно принимаем постоянную специфическую способность поглощения тепла продуктами горения как не зависящую от температуры. Пунктирные линии обозначают реальное изменение температур, причем принимается во внимание диссоциация продуктов горения. Уже при самой малой рециркуляции отходящих газов (Kv=0,3) можно заметить существенное снижение максимальных температур. При высоких температурах горения они лежат всё еще значительно выше 1600°С, так что при температурах предпрогрева воздуха для горения более 600°С даже при использовании технологий снижения NO приходится считаться с высокими выбросами. При более высоких соотношениях предварительного смешивания максимальные температуры горения существенно снижаются и возрастают независимо от температуры предпрогрева воздуха
Приведено описание комплексной реконструкции термической камерной печи с выкатным подом для термообработки сварных металлоконструкций. Основная система отопления печи, построенная на базе двенадцати скоростных рекуперативных горелок, дополнена системой рециркуляции дымовых газов с подогревом последних в выносной камере, что обеспечивает равномерность температурного поля в рабочем пространстве печи с точностью не более ±10 °С. Приведены результаты пусконаладочных работ и режимно-наладочных испытаний печи.
The description of complex reconstruction of the thermal chamber furnace with rolling hearth for heat treatment of welded metalwork is provided then. The main heating system with a twelve high-speed recuperative burners is added with the system of recirculation of heating flue gases that provides uniformity of a temperature field of the furnace with accuracy no more than ±10 °C. Results of commissioning and regime and adjustment tests of the furnace are given.
Существующие термические камерные печи с выкатным подом в механосборочном цехе ОАО "МЗиК" предназначены для термообработки различных сварных металлоконструкций массой до 15 тонн в диапазоне температур от 20 до 650 оС. Размеры рабочего пространства печей: длина – 9,65 м, ширина и высота – 3,4 м. Система отопления на базе двухпроводных горелок неполного предварительного смешения, установленных на боковых стенах печи, не обеспечивает требуемую равномерность температурного поля в рабочем пространстве. На некоторых режимах термообработки перепады температур в рабочем пространстве печи составляли 60-100 оС, что приводило к потере качества сварных металлоконструкций при их термообработке и отбраковке последних. Это послужило основной причиной реконструкции и определило главную ее цель – обеспечение равномерности температур в рабочем пространстве не более ±10 °С на всех режимах термообработки.
По проекту ОАО "ВНИИМТ" одна термическая камерная печь с выкатным подом была реконструирована в объеме, включающим металлоконструкции, футеровку, заслонку печи с механизмами подъема-опускания и уплотнения, выкатной под с механизмом уплотнения, системы газо- воздухоснабжения и дымоудаления, АСУ ТП и электроснабжение. Для создания равномерного поля температур было решено оборудовать печь системой рециркуляции дымовых газов. С помощью пакета прикладных программ выполнены расчеты газовой динамики и температурных полей в рабочем пространстве при различных схемах размещения газовых горелок и сопел ввода рециркулята на печи, а также при различных скоростях истечения рециркулята из сопел и различных объемах рециркулирующих дымовых газов. В результате была выбрана наиболее эффективная схема рециркуляции, когда дымовые газы возвращаются в печь по двум коллекторам со щелевыми отверстиями. Коллектора размещены внутри печи вдоль боковых стен, причем один размещен под сводом печи, второй (у противоположной стены) – у основания печи. Соответственно, из одного коллектора рециркулят истекает через щели вдоль боковой стены в направлении сверху вниз, из другого – снизу вверх. Результаты расчетов показывают, что имеет место достаточно равномерное распределение скоростей газов вблизи поверхности садки и температур на самой поверхности, при этом разность температур не превышает 2 - 3 оС. Такая схема рециркуляции была реализована при реконструкции печи. Основной элемент системы – рециркуляционный вентилятор конструкции ОАО "ВНИИМТ" с температурой применения до 700С, установленный на металлоконструкциях над сводом печи. Высокотемпературный вентилятор через отверстие в своде печи забирает дымовые газы из рабочего пространства и направляет их в выносную камеру подогрева рециркулята, оборудованную автоматизированной горелкой BIO 125Н. Горелка обеспечивает плавное регулирование мощности при минимальном коэффициенте избытка воздуха, поддерживаемом с помощью регулятора соотношения "газ – воздух". После подогрева в выносной камере рециркулят возвращается в рабочее пространство печи по двум коллекторам переменного сечения со щелевыми отверстиями. При этом обеспечивается интенсивное движение продуктов сгорания вокруг садки и выравнивание температур во всем объеме рабочего пространства печи. Расход рециркулирующих продуктов сгорания регулируется изменением оборотов двигателя рециркуляционного вентилятора с помощью частотного преобразователя. При достижении заданной температуры в печи, горелка камеры подогрева рециркулята переводится в режим минимального горения и включается основная система отопления печи, построенная на базе двенадцати автоматизированных скоростных рекуперативных горелок RЕKUMAT М250 номинальной тепловой мощностью 160 кВт каждая. Горелки размещены на боковых стенах печи, на правой стене - над садкой (6 штук) на левой - ниже садки (6 штук). Такое расположение горелок при высокой скорости истечения продуктов сгорания из горелок (~150 м/с) позволяет создать вместе с системой рециркуляции циркуляционные контуры движения газовых потоков, обеспечивающие выравнивание температуры в рабочем пространстве печи и равномерный нагрев садки. Встроенные в горелки рекуперативные теплообменники позволяют возвратить в печь примерно 50% тепла уходящих дымовых газов, тем самым существенно сокращая потребление топлива при термообработке.
Энергосберегающий нагрев шахтной печи современными рекуперативными горелками
Модернизация печей с нагревательными излучающими трубами
Рекуперативные горелки для прямого нагрева промышленных печей
Опыт работы при применении горелок с режимом беспламенного горения
Регенеративные горелки для печи отпуска и нормализации труб
Применение новых плоскопламенных горелок в печах с выкатным подом
Беспламенное окисление: Горение с низким образованием NOx также при сильном догреве воздуха для горения
Термическая печь с комбинированной системой отопления
ТНТ 2006 - 2023 г. По всем возникшим вопросам обращайтесь на tnt@floxural.ru