В статье приведены результаты разработки устройства для разогрева высокотемпературных агрегатов. Применение устройства позволит обеспечить повышение эффективности использования теплоты сжигаемого топлива, сокращение его расхода и повышение надёжности работы.
В последние годы всё больше внимания уделяется разработке технологий и способов разогрева футеровок различных тепловых агрегатов. Во многих случаях проделываемая работа находит реальное применение на производстве. При этом недостаточно широкий диапазон изменения нагрузок существующих устройств для разогрева делает невозможным использование более оптимальных графиков нагрева. Кроме того, большие тепловые потери снижают экономическую целесообразность использования таких установок.
Специфика работы тепловых агрегатов (высокие температуры, агрессивные среды) предполагает использование защитных облицовок – футеровок. Перед включением оборудования в работу его футеровку необходимо разогреть до рабочей температуры. Для этого широко применяются установки с топливными горелками.
Практический опыт и эксплуатация установок с топливными горелками выявили их основные недостатки [1]:
- низкий коэффициент полезного использования энергии, который не превышает 30%;
- загрязнённость окружающей среды и рабочих мест продуктами сгорания топлива, содержащими оксиды азота, углерода, неблагоприятные условия труда в зоне работы установок из-за повышенных температур.
Следовательно, сокращение удельного расхода топлива при сохранении надёжности работы устройств для разогрева тепловых агрегатов – актуальная задача, решение которой приведёт также к положительным сдвигам в решении экономических, экологических и социальных проблем.
Так, при разогреве сталеразливочных ковшей ёмкостью 25 тонн (относящихся к металлургическим ковшам малой вместимости) расход газа составляет 10 м3/ч. Кроме того, необходимо также учесть, что работа этих установок непрерывна и время разогрева только одного ковша составляет около 24 часов.
В настоящее время совершенствование способов и установок по сушке и разогреву высокотемпературных установок идёт по ряду направлений. Так, на Молдавском металлургическом заводе была проведена оптимизация условий термоподготовки футеровки сталеразливочных ковшей [2]. Была заработана и испытана энергосберегающая технология с тепловым КПД 45-50%. Её характерные особенности – применение газовоздушной горелки с широким диапазоном регулирования тепловой мощности и активизация конвективной составляющей теплообмена.
Корпус с горелкой установлен таким образом, что факел располагается по центру высокотемпературного агрегата. Регулирование тепловой мощности горелки осуществляется путём изменения расхода газа и воздуха, в соответствии с графиком разогрева. При этом конструкция используемой горелки обеспечивает устойчивую работу факела без срывов и проскоков пламени при изменении коэффициента расхода воздуха от 1,03 до 10. Таким образом, тепловую нагрузку факела изменяют регулированием расхода топлива (при постоянной подаче воздуха через горелку в процессе разогрева). Недостатком этого устройства является недостаточно широкий диапазон регулирования тепловой мощности, так как при малой подаче газа (при начальной стадии разогрева) возможна нестабильная работа стенда и погасание факела.
Таким образом, необходимо достичь результата – повышения надёжности работы установки, в особенности на границах диапазона тепловой мощности. Этого можно достичь за счет того, что разогрев теплового агрегата производится на установке, в верхней части которой располагаются не одна, а несколько горелок (не менее трёх) для сжигания топлива, установленные таким образом, что факел располагается по центру агрегата [3]. При разогреве высокотемпературного агрегата, в соответствии с графиком разогрева, осуществляется регулирование тепловой мощности горелок как путём изменения расхода подаваемых к горелкам газа и воздуха, так и путём последовательного включения в работу горелок. При этом горелки должны быть установлены с условием соблюдения равенства углов α между ближайшими осями, проходящими через центры горелок с учетом того, что одна из них располагается в центре верхней плоскости установки. Значение данных углов α рассчитывается по формуле:
Тепловой агрегат размещают на установке, в верхней части которой располагаются горелки для сжигания топлива с учётом того, чтобы факел располагался по центру теплового агрегата. На рисунке 1 схематично показан один из способов расположения горелок, если количество горелок n равно семи (n = 7).
Рисунок 1 – Расположение горелок в верхней части установки
Регулирование тепловой мощности горелок в соответствии с индивидуальным графиком разогрева теплового агрегата (рисунок 2) осуществляют как путём изменения расхода подаваемых к горелкам газа и воздуха, так и путём последовательного включения горелок в определённом порядке. Пример графика разогрева теплового агрегата изображён на рисунке 2, который демонстрирует три основных этапа подвода тепловой мощности Q к агрегату. На первом этапе осуществляется подвод минимальной тепловой мощности Qmin, на втором этапе тепловая мощность средняя Qсредн, а на третьем этапе тепловая мощность достигает своего максимального значения Qmax.
Рисунок 2 – График разогрева теплового агрегата
При конструировании стенда для более плавной регулировки нагрева можно использовать горелки различной мощности для каждого режима (сушка, нагрев футеровки). Кроме всего вышеперечисленного, использование заявляемого способа разогрева тепловых агрегатов позволяет осуществлять процесс разогрева тепловых агрегатов, с незначительными отклонениями от графика разогрева, в результате чего увеличивается стойкость футеровки тепловых агрегатов. Кроме надёжной работы устройства для разогрева на границах диапазона тепловой мощности, необходимо также предусмотреть работу устройства с высоким термическим КПД. При этом необходимо максимально снизить тепловые потери установки. Снижение потерь тепла при разогреве тепловых агрегатов осуществляется за счёт более полного использования теплоты сжигаемого топлива, что повысит эффективность использования топлива и позволит сократить его расход. Это достигается за счёт того, что устройство для разогрева тепловых агрегатов предлагается выполнить так, что корпус будет иметь рекуперативный канал для подогрева воздуха, соединенный с перепускными патрубками для подачи воздуха к горелкам и с коллектором для подачи воздуха в рекуперативный канал [4]. Подача подогретого воздуха, необходимого для горения, повысит приходную часть теплового баланса стенда и позволит уменьшить расход топлива при сохранении необходимых параметров процесса разогрева. Таким образом, суммарное количество теплоты, поступающей на разогрев, будет равно:
Устройство включает в себя горелки (1), установленные в корпусе (2), на котором, в его геометрическом центре, установлен коллектор для подачи воздуха (3) (рисунок 3). В корпусе (2) имеется рекуперативный канал для нагрева воздуха (4), который через перепускные патрубки (5) соединён с горелками (1). Топливо в горелки подаётся по патрубкам для подачи топлива (6). Для подачи подогретого воздуха для центральной горелки имеется перепускной патрубок (7).
Точки забора воздуха перепускных патрубков из рекуперативного канала для подогрева воздуха (4) располагаются по окружности на одинаковом расстоянии от коллектора (3), что обеспечивает равенство температур воздуха, подаваемого в горелки (1). Воздух в коллектор (3) подаётся по воздуховоду (8). Нижняя часть рекуперативного канала для подогрева воздуха (4) покрыта огнеупорным слоем (9) для защиты от пережога. Корпус установлен на опорных балках (10).
Воздух, подаваемый для горения, поступает в коллектор (3) через воздуховод (8). Физическая теплота этого воздуха - Qв. Далее воздух, проходя по рекуперативному каналу для нагрева воздуха (4), получает дополнительное количество тепла за счёт тепла сжигаемого топлива.
После чего, через перепускные патрубки (5) (движение воздуха показано стрелками), подогретый воздух подаётся в горелки (1) для горения топлива, подаваемого по патрубкам для подачи топлива (6). Нагретый воздух для центральной горелки подаётся по перепускному патрубку (7).
Предлагаемое устройство позволит повысить эффективность использования теплоты сжигаемого топлива и сократить его расход; в соответствии с этим сократятся и выбросы вредных веществ в атмосферу. За счёт установки нескольких горелок увеличится диапазон регулирования тепловой мощности установки и повысится надёжность работы (отсутствие нестабильной работы при начальной стадии разогрева).
Рисунок 3 – Главный вид и вид сверху теплового агрегата
Литература
- Никифоров А.С., Приходько Е.В. Анализ работы футеровок 25-тонных сталеразливочных ковшей // Вестник Павлодарского государственного университета. - 2004. - № 4. - С. 14 –
- Кузнецов А.В., Лозин Г.А., Деревянченко И.В., Конюхов В.В. Оптимизация условий термоподготовки футеровки сталеразливочных ковшей // Новые огнеупоры. - - № 1. - С. 19-25.
- Предварительный патент №18652 Республика Казахстан. - Способ разогрева тепловых агрегатов / Никифоров А.С., Жумагулов М.Г., Приходько Е.В.; опубл. 07.2007, бюл. № 7-4 с.
- Инновационный патент № 21598 Республика Казахстан. - Устройство для разогрева тепловых агрегатов / Приходько Е.В., Никифоров А.С., Полешко П.В.; опубл. 08.2009, бюл. № 8. - 3 с.