Техника/1

Туяхов А.И., Жук В.Л., Симоненко Л.Г., Сысоев П.В.

Донецкий национальный технический университет

Повышение эффективности теплообмена в печах для выплавки синтетических шлаков

Большинство печей с тепловой мощностью менее 3 МВт для нагрева различных материалов или выплавки цветных металлов и синтетических шлаков, применяемых в металлургической промышленности, отапливаются природным газом.

Из практики сжигания чистого природного газа известно, что факел и продукты сгорания обладают низкими радиационными характеристиками. Данные исследований, проведенных на мартеновских печах [1], показывают, что несветящийся факел на всём протяжении рабочего пространства печи имеет более высокую температуру, чем длинный светящийся. Это является следствием меньшей теплоотдачи к ванне (при прочих равных условиях) из-за меньшей светимости факела. Большая температура газов указывает на большие потери теплоты с уходящими продуктами сгорания. Ухудшение теплоотдачи от факела к теплообрабатываемым материалам снижает эффективность тепломассообменных процессов, что приводит к увеличению удельного расхода топлива.

Использование мазута для повышения светимости факела нерационально из-за необходимости иметь мазутное хозяйство, что наряду с высокой стоимостью жидкого топлива приведёт к увеличению общих затрат на эксплуатацию печей такого типа.

Одним из путей повышения светимости факела является отопление печей реформированным природным газом. С этой целью часть природного газа из общего количества, идущего на технологический процесс, направляется на специальную установку – реформатор, устанавливаемый в газоотводящем тракте печи. При высокой температуре (1100 – 1300 ˚С) метан интенсивно разлагается на сажистый углерод и водород, а образующаяся смесь подаётся в газовую горелку печи. Присутствие в газообразном топливе большого количества сажистых частиц с преимущественными размерами от 0, 2 до 0,5 мкм резко увеличивает светимость факела и приводит к возрастанию передачи тепла излучением.

Опыт длительной эксплуатации мартеновских печей Донецкого металлургического завода, оборудованных выносными реформаторами, позволил установить оптимальную концентрацию сажистых частиц в факельной части продуктов сгорания, которая составляет в пересчёте на нормальные условия 20-22 г/м³ [2]. Приняв для дальнейших расчётов концентрацию частиц сажи 22г на м³ подаваемого в печь природного газа, определим геометрические параметры реформатора для вращающейся печи с общим расходом газа 300 м³/ч и производительностью 4т/ч синтетического шлака.

Общая площадь поверхности реформатора определяется временем разложения молекул метана, концентрацией сажистых частиц, расходом газа и температурой нагрева газа. Время разложения каждой молекулы СН₄ и образования из неё сажистого углерода и водорода можно определить по формуле Аррениуса [2]:

(1)

где r - степень разложения метана; τ - время разложения, с; К_эфф - константа разложения.

Константа разложения метана определяется из условия термодинамического равновесия в системе: метан, водород и сажистый углерод при данной температуре:

(2)

где R – газовая постоянная для молекулярного водорода, равная 2 ; Т – абсолютная температура, К.

Оптимальная температура реформации по экспериментальным данным [2] составляет 1300 ˚С. При принятой для данных условий степени разложения r = 0,5, получим время разложения метана, по формуле 1, составившее τ = 0,21 с. Полученная длительность разложения природного газа позволяет определить необходимый объём газовой среды, заполняющий реформатор, т.е. объём самого реформатора по формуле:

u=τ·V_реф , (3)

где V_реф – расход природного газа, подаваемый в реформатор, м³/с.

При принятом значении оптимальной концентрации сажистых частиц в объёме факела (22 г/м³), определим расход газа, поступающий на реформирование:

V_реф= , (4)

где V_общ – общий расход природного газа, подаваемый в газовую горелку печи, м³/ч; 16 – молекулярный вес метана, кг; 12 – молекулярный вес углерода, кг; – плотность газообразного метана, кг/м³.

Используя принятые и фактические данные (С_саж=22г/м³; V_общ=300м³/ч; =0,714 кг/м³), получим (ф.4) необходимый расход природного газа для реформирования, V_реф =25,4 м³/ч, что позволило определить один из основных параметров – объём газа, находящийся в реформаторе. Рассчитанный по формуле 3 объём газа находящийся в реформаторе. Рассчитанный по формуле 3 объём газа u с учётом температурного расширения (t=1100 ˚C) составил 8,5·10^-3м³.

Выбор диаметра трубок реформатора определяется на основе анализа влияния двух параметров на работу установки - аэродинамического и теплового. С увеличением диаметра трубки уменьшается аэродинамическое сопротивление, однако при этом уменьшается интенсивность конвективного теплообмена, что ухудшает процесс реформации. Расчёты, проведенные по двум характеристическим параметрам, показали, что оптимальный диаметр находится в пределах 0,03 – 0,04м. Для конструктивного выполнения реформатора был выбран нижний предел диаметра трубки, что способствует эффективному удалению сажистых частиц из реформатора за счёт более высокой скорости (~40м/с) движения двухфазной (твёрдой и газовой) среды внутри трубок реформатора.

Общая длина трубок реформатора, рассчитанная по формуле на основе найденных значений объёма газа в реформаторе и диаметра трубок, составила 12,4м. Наиболее рациональной конструкцией для печей такого типа с точки зрения монтажных работ является реформатор змеевикового типа, повешенный вертикально к своду дымового тракта (рис.1). При располагаемой высоте свода 1,3м и с учётом плавных закруглений между прямыми участками получим 7 параллельно расположенных труб, расстояние между которыми должно составлять не менее двух диаметров труб для лучшего теплообмена с продуктами сгорания.

1

2

3

4

5

1 - дымоотводящий тракт; 2 - реформатор; 3 - инжектор;

4 - шлакоплавильная печь; 5 - горелка

Рисунок 1 - Схема подачи природного газа к реформатору и к шлакоплавильной печи

Схема одного из вариантов подачи природного газа к реформатору и к газогорелочному устройству цилиндрической вращающейся печи для выплавки синтетического шлака показана на рис.1. Природный газ из общего газопровода распределяется на два потока: меньшая часть (~10% по вышеприведенному расчёту) направляется в стальные трубки реформатора, выполненные из жаропрочной стали, а основная часть газа подаётся на инжектор, с помощью которого компенсируется падение давления при движении газа через систему трубок реформатора.

Использование в качестве топлива частично реформированного природного газа для шлакоплавильной печи производительностью 4 т/ч готовой продукции, позволяет уменьшить расход топлива на 30 – 40% и сократить время тепловой обработки материалов. Технико-экономические расчёты показывают, что окупаемость установленного в дымовом тракте печи реформатора составляет менее одного года.

Список литературы

1. Лисиенко В.Г. Интенсификация теплообмена в пламенных печах. М.: Металлургия, 1979. – 224с.

2. Кривандин В.А. Светящееся пламя природного газа. М.: Металлургия, 1973. – 135с.