Эффективные, энергосберегающие процессы сжигания природного газа в чугуноплавильных агрегатах: Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.А. Черный ЭФФЕКТИВНЫЕ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ЧУГУНОПЛАВИЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ Учебное пособие

Пенза 2008

УДК 669.621.74

Р е ц е н з е н т ы: Научный совет Пензенского научного центра; главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» А.С. Белоусов Черный А.А. Эффективные, энергосберегающие процессы сжигания природного газа в чугуноплавильных агрегатах: учебное пособие / А.А. Черный. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2008. – 20с. Изложены результаты исследований по достижению эффективности работы газовых вагранок. Приводятся разработки, позволяющие улучшать тепловые процессы в газовых вагранках, уменьшать расход топлива при плавке чугуна. Учебное пособие разработано применительно к учебному процессу по кафедре «Машины и технология литейного производства». Оно может быть использовано при изучении курсов «Термодинамика», «Печи литейных цехов», а также при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ.

© Черный А.А., 2008 2

ВВЕДЕНИЕ Разработки эффективного, энергосберегающего процесса сжигания природного газа в чугуноплавильных агрегатах имеют важное народнохозяйственное значение. Чугунное литье преобладает в конструкциях многих машин. При производстве отливок рационально вести плавку чугуна на газообразном топливе, что позволяет повысить качество и снизить себестоимость отливок, улучшить условия труда и экологическую обстановку. Для уменьшения расхода топлива при плавке чугуна необходимо выявить особенности тепловых процессов в газовых вагранках, закономерности факельного горения газообразного топлива применительно к шахтным плавильным агрегатам, разработать эффективные топливосжигающие устройства и плавильные агрегаты. Исследование сложных тепловых процессов в газовых вагранках связано с необходимостью применения моделирования. Так как подобные исследования в мировой практике не выполнялись, то разработки на их основе возможны на уровне изобретений.

3

1.РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ГИПОТЕЗ И МЕТОДИК МОДЕЛИРОВАНИЯ Горение топлива - сложный физико-химический процесс соединения горючих составляющих топлива с окислителем, протекающий с большой скоростью, сопровождающийся комплексом химических и физических явлений, которые совершаются во взаимодействии. Влияние каждого явления зависит от характера и условий хода процесса в целом. Основа процесса горения - химические реакции соединения топлива с окислителем. В реакциях окисления переход к конечному состоянию осуществляется через ряд промежуточных реакций. Скорость реакции окисления зависит от концентрации химически активных компонентов (атомов водорода, кислорода, гидроксильных радикалов ОН, нестойких промежуточных соединений), генерируемых самой реакцией. Горение газовых смесей практически всегда происходит в потоке. Даже в тех случаях, когда поджигают смесь, находящуюся в потоке, поток возникает вследствие горящих газов. Для воспламенения горючей смеси необходима определенная минимальная энергия, т.е. цепная реакция всегда, за исключением самовоспламеняющихся смесей, требует определенной энергии активизации. Основываясь на том, что между двумя слоями газов, движущимися с разными скоростями, возникают силы терния, т.е. происходит проявление внутреннего трения или вязкости, можно представить вероятный механизм турбулентного горения с позиций преобладающего влияния вихревого переноса в факелах. Влияние на процессы горения топливных газовых смесей газодинамики в факелах и при взаимодействии факелов сводится к следующему. Так как выходящий из горелочного сопла газовый поток внедряется в сравнительно спокойные газы окружающего пространства ( в воздух окружающей атмосферы или печные газы), то в граничных слоях потока в связи с вязкостью газов возникает уже вблизи от входного сечения сопла диссипативные силы, т.е. силы трения и сопротивления. И поскольку диссипативные силы всегда направлены противоположно вектору скорости потока, а в газах взаимодействуют частицы системы, то в пограничных слоях в каждом продольном сечении по оси потока возникает диссипативная сила на некотором расстоянии по нормали от соответствующего ей по модулю вектора скорости потока, в результате чего образуется пара сил, которая приводит к возниканию вихря, направленного с внешней стороны потока к выходному сечению сопла. Вихри образуют за выходным сечением сопла по периметру поперечного сечения газового потока замкнутые вихревые кольца. У выходного сечения сопла вихри в вихревом кольце имеют небольшие размеры. Угловая скорость вихрей здесь большая и находится в прямой 4

зависимости от скорости истечения газовой смеси. По мере поступательного перемещения в направлении движения потока вихрь увлекает все большее количество частиц из потока и окружающей среды, размеры вихря увеличиваются, а угловая скорость его уменьшается, происходит расширение потока и сужение его внутреннего ядра, в котором нет условий для образования вихрей. В конце внутреннего ядра вихри сталкиваются и затормаживается в них циркуляционный массоперенос. Но поток продолжает расширятся, так как возникают условия для образования за первой вихревой зоной второй, где вихри в системе замкнутых вихревых колец возникают, развиваются и прекращают действовать аналогично тому, как это происходит в первой вихревой зоне. Во втором ядре потока, в отличие от первого ядра, неизбежно турбулентное перемешивание в связи с взаимодействием вихрей в конце первой вихревой зоны потока, которое приводит к турбулизации движущихся дальше газов. Следовательно, вихревые зоны в потоке размещены ступенчато. По мере сталкивания и слияния одних вихрей возникают и развиваются в различных слоях потока другие вихри, и так происходит до тех пор, пока существуют силы, связанные с поступательным движением потока, и диссипативные силы, препятствующие движению потока. Поэтому вихревых зон потока может быть больше двух, причем, сколько образуется вихревых зон, столько существует и ядер потока, размещенных в пределах длины всей вихревой зоны. Все ядра потока, размещенные последовательно за первым ядром - турбулентные, так как сближение и слияние в конце каждого предыдущего ядра вихрей, вращающихся в противоположных направлениях, приводит к образованию турбулентности в последующем ядре потока. Изложенное выше не противоречит законам сохранения энергии, импульса системы. В рассмотренной выше системе энергия и импульсы обмениваются между отдельными частями системы. Приращение момента импульса одной части системы связано с убылью момента импульса ее другой части. Кинетическая энергия потока преимущественно расходуется на образование вихрей, а энергия вихрей расходуется на развитие турбулентности энергия же турбулетности переходит в тепловую энергию. Поскольку сила внутреннего трения при движении слоев в газах прямо пропорциональна градиенту скорости, то чем больше скорость потока, тем больше по величинам силы, связанные с движением потока и тем больше соответствующие им по величинам, но противоположные по направлению диссипативные силы, что свидетельствует о прямо пропорциональной зависимости скоростей вращения вихрей от скорости движения потока. При вводе поджигающего средства в первую вихревую зону потока ближе к входному сечению сопла происходит нагрев и воспламенение горючих газов сначала в небольшом объеме, а затем, в связи с быстрым переносом горячих активных продуктов горения, воспламеняются горючие газы во всей вихревой зоне потока. 5

Горение в первой вихревой зоне потока в связи с вихревым массопереносом можно представить следующим образом. Вихри осуществляют непрерывный частичный перенос горячих активных продуктов горения к корню факела и к поверхности первого ядра потока. У этой поверхности по всей ее площади начинается процесс горения. Воспламенившиеся и не воспламенившиеся горючие газы захватываются вихрями из ядра потока, перемешиваются в вихрях, и процесс горения продолжается уже в вихрях. Возврат вихрями части горящих газов и горячих активных продуктов горения к непрерывно поступающим к поверхности первого ядра потока горячим газам и отвод воспламеняющихся газов от этой поверхности делает процесс воспламенения и горения в факеле непрерывным, стабильным, самовосстанавливающимся. В первой вихревой зоне потока в связи с цепным ходом реакций процесс горения может не заканчиваться. Горение может продолжаться во втором турбулентном ядре потока, во второй вихревой зоне и следующей дальше по ходу движения газов потока турбулентных ядрах вихревых зонах до тех пор, пока существуют горючие компоненты в газах потока и условия для протекания реакций. Повышение температуры воздуха-окислителя и горючих газов, а также увеличение температуры в объеме горящего факела должны приводить к сокращению длины пути горения газов, так как скорость химических реакций возрастает с повышением температуры реагентов. Поскольку вихревой массоперенос значительно интенсивнее, чем турбулентный, то скорость горения газов в первой вихревой зоне потока должна быть значительно выше, чем во втором турбулентном ядре потока. В связи с тем, что вихри зарождаются за выходным сечением сопла по периметру этого выходного сечения, длина первой вихревой зоны потока должна уменьшаться при увеличении отношения длины периметра выходного сечения сопла к площади этого сечения при условии сохранения энергетически выгодной формы потока в поперечных сечениях и прочих одинаковых условиях, за исключением формы выходного сечения сопла. Нарушение процесса образования вихрей в первой вихревой зоне потока приводит к нарушению стабильности процесса горения или к прекращению горения. Поскольку в первом ядре потока нет условий для образования вихрей и турбулентного перемешивания, то в этом ядре не происходит горение, если из горелочного сопла будет выходить не нагретая до температуры воспламенения или не подвергнутая специальной турбулизации горючая газо-воздушная смесь. Итак, форма и размеры турбулентного факела связаны с газодинамическим процессом в потоке. Следовательно, при взаимодействии факелов процессы горения зависят от изменения в связи с взаимодействием газодинамических зон потоков.

6

Исходя из изложенного выше механизма газодинамических процессов в потоке и в горящем факеле, можно представить вероятные результаты взаимодействия факелов. Они могут быть следующими: а) при истечении газовоздушной смеси в виде параллельных потоков, движущихся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями, путь горения газов удлинится, если сопла разместить так, что первые вихревые зоны смежных потоков будут контактировать; в местах контакта смежных потоков не будут образовываться вихри в связи с отсутствием условий для их образования, за каждым соплом не будет развиваться самостоятельный факел, а получится общий, более длинный факел, по сравнению с факелом, образующимся только за одним соплом; б) при отличающихся по величинам скоростях движущихся в одном направлении параллельно или под углом смежных потоков будут образовываться газодинамические зоны более скоростного потока в менее скоростных потоках, в которые высокотемпературный поток внедряется, причем форма и размеры газодинамических зон высокоскоростного потока будут зависеть от разности скоростей этого потока и менее скоростных потоков; в местах развития газодинамических зон более скоростного потока будет происходить горение в виде пересекающихся факелов или развитие малого факела в большем по размерам факеле; в) за выходным сечением каждого сопла будут развиваться отдельные факелы, если газодинамические зоны смежных потоков будут отстоять на таком расстоянии друг от друга, что взаимодействие активных газодинамических зон потоков не будет происходить; г) при соударении встречных потоков форма и размеры факелов будут изменяться в связи с изменениями газодинамических зон потоков в зависимости от угла встречи потоков, скоростей движения потоков, формы и размеров выходных сечений сопел, расстояния между соплами; д) при противоположном движении одних потоков между другими, если вихри противоположных потоков в наружных слоях будут приближаться до касания, в вихревых зонах потоков будет ускорятся массоперенос, и факелы будут уменьшаться по длине. Всякие действия, приводящие к нарушению образования вихрей в первой вихревой зоне потока, например, ввод разделительных стенок в вихревую зону, должны приводить к нарушению или прекращению процесса горения в тех местах, где произведено воздействие. Ограждение первой вихревой зоны потока стенками горелочного туннеля, не нарушающими процесс образования вихрей, но препятствующими поступлению в вихревую зону из окружающей среды холодного воздуха или недостаточно нагретых газов, должно приводить к стабилизации движения потока. Эффективность влияния такого ограничения вихревой зоны потока на стабилизацию процесса горения будет большей, если стенки туннеля будут нагреваться до температур, превышающих температуру воспламенения горючей газовоздушной смеси. 7

Так как с повышением температуры вязкость газов увеличивается, то угол раскрытия горящего факела должен быть больше, а длины вихревых зон должны быть меньше, чем в случае истечения из сопла с той же скоростью воспламенившихся газов, причем с повышением температуры в факеле, например, при подогреве воздуха-окислителя и горючего газа, угол раскрытия факела должен несколько увеличиваться, а длины его вихревых зон должны уменьшаться. Достоверность всего изложенного выше подтверждена экспериментами. Выявленные ранее неизвестные закономерности процессов в горящих факелах и при взаимодействии факелов позволили разработать эффективные горелочные системы для газовых вагранок. Ряд этих разработок являются изобретениями. 2. НОВЫЕ, НЕ ВЫДЕЛЯЮЩИЕ ПЫЛЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПЕЧИ – ГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ На основе теоретических и экспериментальных исследований, разработаны новые высокотемпературные металлургические печи — газовые вагранки, которые просты по устройству и в эксплуатации, прошли промышленную проверку, рациональны для внедрения в металлургии. Использование .этих печей позволяет улучшать экологические условия в цехах. Внедренная в производство газовая вагранка имеет следующее устройство. В нижней части шахты газовой вагранки над подиной установлено восемь газовых горелок (по четыре горелки на противоположных удлиненных стенках шахты). В горизонтальном сечении шахты газовые горелки размещены в шахматном порядке. К шахте примыкает стационарный копильник, соединенный с ней переходной леткой. Ниже последней расположена набивная подина, на которую после розжига горелок и разогрева футеровки загружается огнеупорная насадка (колоша). При выполнении футеровки шахты из шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров для создания огнеупорной насадки применяется бой шамотных кирпичей, высокоглиноземистых изделий, углеродсодержащих электродов. Вначале на подину загружается бой углеродсодержащих электродов для создания слоя толщиной 0,15...0,30 м, а затем производится загрузка боя шамотных кирпичей, высокоглиноземистых изделий, углеродсодержащих электродов в виде смеси, в которой приблизительно одинаковое количество указанных компонентов по объему. Для газовой вагранки, имеющей производительность в среднем 7 т жидкого чугуна в час, по практическим данным в среднем объем огнеупорной насадки - 1,2 м3 площадь поверхности насадки - 29 м2, объем свободного пространства между кусками насадки 0,5 м3, количество кусков в насадке 300 штук, масса насадки - 1440 кг. Обычно разогрев футеровки шахты до загрузки материалов насадки длится 30 мин, загрузка материалов насадки 8

производится в течение 10 мин, материалы насадки разогреваются горящим газообразным топливом до температуры 1773...1923 К приблизительно за 30 мин. После установления рабочего расхода газа и регулировки путем изменения расхода воздуха величины коэффициента этого расхода в зависимости от температуры подаваемого воздуха-окислителя и требуемой температуры в огнеупорной насадке производится загрузка металлической шихты при работающих газовых горелках. Через 10...15 мин начинается плавление шихты над огнеупорной насадкой. Образовавшийся расплав стекает по раскаленным кускам огнеупорной насадки и перегревается. Сначала из перегретого расплава образуется неглубокий бассейн на подине, а затем из бассейна через переходную летку он поступает в копильник, откуда выпускается по мере накопления и используется для заливки форм. При расходе природного газа 600 м3/ч, температуре воздуха 673 К коэффициенте расхода воздуха 0,90…0,95 достигается производительность газовой вагранки от 6 до 8 т/ч жидкого чугуна ( в зависимости от состава шихты). Температура выпускаемого из копильника жидкого чугуна выше 1673 К. Из газовой вагранки поступает в атмосферу в виде выбросов пыль в количестве не более 0,5 мг/м3, монооксид углерода – не более 5 мг/м3, сернистый ангидрид – не более 0,5 мг/м3, диоксид азота – не более 0,085 мг/м3. Выбросы из газовой вагранки ниже ПДК. Для газовых вагранок разработана система автоматики. Применительно к газовым вагранкам, использующим горячее воздушное дутье, разработаны эффективные газовые горелки, которые прошли государственные испытания. Горелка газовой вагранки состоит из газовой и примыкающей к ней воздушной камер. Через последнюю проходят газораспределительные трубы, которые соединены с газовой камерой. Газораспределительные трубы завинчиваются в резьбовые втулки, проходящие через стенку газовой камеры и приваренные к ней. С обоих концов газораспределительные трубы заглушены торцовыми стенками, в которых со стороны газовой камеры имеются каналы, расположенные равномерно по окружности вблизи внутренней поверхности боковой стенки. Со стороны выходной части воздушной камеры выполнен аксиальный канал в торцовой стенке, а вблизи от этой стенки размещены радиальные каналы. Их наличие позволяет достигать равномерности распределения горючего газа по трубам. Кроме того, интенсифицируется теплопередача от горячего воздуха горючему газу в связи с его струйным движением боковой стенки трубы. Газораспределительные трубы размещены так, что наружные поверхности торцовых стенок поперечных рядов этих труб расположены в разных плоскостях. Такое размещение труб позволяет достигать лучшего перемешивания горючего газа с воздухом, сокращения пути горения топлива, повышения светимости факела. 9

При разработке газовой горелки газораспределительные трубы омываются горячим воздухом, в связи с чем движущийся по трубам горючий газ нагревается. Многоструйное распределение подогретого горючего газа в потоке горячего воздуха способствует стабилизации процесса горения, уменьшению длины факела и повышению температуры в нем. Габаритные размеры газовой горелки: длина 462, высота 465 мм. Основные показатели по результатам испытаний 1,25 МВт, расход газа 125 м3/ч, расход воздуха 1800 м3/ч, коэффициент расхода (избытка) воздуха 1,09, давление газа 20 кПа, давление воздуха 4,35 кПа, температура газа перед горелкой 290 К, температура воздуха перед горелкой 593 К, минимальная рабочая тепловая мощность 0,25 МВт, коэффициент рабочего регулирования горелки 5, максимальная тепловая мощность 1,5 МВт, коэффициент предельного регулирования 6, уровень звука по шкале А шумомера 85дБ(А). При указанных выше показателях монооксида углерода в сухих неразбавленных продуктах сгорания не было. В рабочих условиях газовая горелка может эксплуатироваться при измене в широких пределах расходов газа, воздуха, коэффициента расхода воздуха, температуры воздуха без отрывов и проскоков пламени. Газовая горелка удовлетворяет требованиям ГОСТ 21204-83 «Горелки газовые промышленные. Общие технические требования, маркировка и хранение». Она позволяет повышать производительность и экономичность тепловых агрегатов, улучшать экономические показатели и экологические условия. По результатам экспериментальных исследований в газовых вагранках выявлены особенности сжигания газообразного топлива в огнеупорной насадке (колоше). Установлено, что горение в ней происходит только тогда, когда загружаемые последовательно куски огнеупоров успевают прогреться в поверхностных слоях до температуры выше 1073 К. Если скорость загрузки кусков огнеупоров такая, что загруженные огнеупоры не успевают прогреться до указанной температуры, а также если огнеупорная насадка создается в шахте загрузочной большой порции огнеупоров, то газообразное топливо не горит в огнеупорной насадке. Обычно в таком случае происходит горение над огнеупорной насадкой, причем наблюдается прекращение горения в горелочном туннеле. Достаточно хорошо результаты по прогреву огнеупорной насадки до температуры выше 1073 К достигаются, если загрузка кусков огнеупоров производится последовательно в течение 10 мин. В таком случае через 0,5 ч после начала загрузки огнеупоры вблизи от горелочного туннеля нагреваются до температуры выше 1773 К. Испытывали одно-, двух- и трехкомпонентные насадки. При интенсивном нагреве насадки из шамотных огнеупоров в кусках размягчается слой на глубине до 10мм, а при нагреве насадки из высокоглиноземистых огнеупоров, содержащих 62% Аl2О3, в кусках размягчается слой на глубине до 5мм. Куски нагретых высокоглиноземистых 10

огнеупоров не разрушаются и имеют достаточную прочность. Поверхностные слои кусков шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров нагреваются до 1773...1923 К. Насадка из углеродосодержащего электродного боя имеет температуру ниже 1773 К в связи с эндотермическими реакциями, неизбежными при нагреве углерода кусков насадки горячими продуктами сгорания, содержащими диоксид углерода и пары воды. Нагретый бой электродов не деформируется, не растрескивается, расходуется незначительно в связи с окислительными реакциями. Трехкомпонентная смесь (насадка) быстро прогревается, причем куски шамотных и выскоглиноземистых материалов в поверхностных слоях имеют температуру выше 1773 К. Наличие боя электродов между кусками шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров приводит к снижению окислительных свойств продуктов сгорания и повышению излучательной способности насадки. Установлено, что в огнеупорной насадке факел теряет ту форму, которую имел до загрузки огнеупоров в шахту, горение происходит как на разогретой поверхности огнеупоров, так и в турбулентных потоках между кусками огнеупоров, горячие газы движутся преимущественно там, где газодинамическое сопротивление минимально. Горение в огнеупорной насадке заканчивается на высоте 0,5...0,7 м от верхней кромки горелочного туннеля, где наблюдалась максимальная температура поверхностных слоев кусков огнеупоров. Выявлено, что сжигание газообразного топлива в огнеупорной насадке при соблюдении определенных условий позволяет нагревать до высокой температуры поверхностные слои кусков огнеупоров. А в связи с тем, что степень черноты кусков огнеупоров и боя углеродосодержащих электродов высокая, то при прохождении жидкого металла через нагреваемую горящими газами огнеупорную насадку он может больше отбирать тепла, чем при других способах нагрева. Способ сжигания газообразного топлива в огнеупорной насадке эффективен при плавке чугуна в газовых вагранках, но при этом необходимо учитывать следующие рекомендации: а - для предотвращения проскока пламени в газовую горелку горючий газ должен смешиваться с воздухом в горелочном туннеле; б - горение должно начинаться в горелочном туннеле и заканчиваться за его пределами; в - до загрузки огнеупорной насадки необходим прогрев горящими факелами горелочных туннелей и футеровки шахты печи; г - кусковые материалы огнеупорной насадки надо загружать в шахту так, чтобы не прекращалось горение в туннелях; д -розжиг газовых горелок, прогрев горелочных туннелей и футеровки шахты, разогрев огнеупорной насадки надо производить при коэффициенте α расхода воздуха большем единицы, а пред загрузкой шихты в шахту величину α надо отрегулировать до оптимального для технологического процесса значения; е - лучшие показатели печного процесса могут быть достигнуты при нагреве воздуха-окислителя и горючего газа, наличии в продуктах сгорания мелких частиц углерода, а в составе огнеупорной насадки - углеродсодержащих 11

материалов и высокоглиноземистых огнеупоров; ж - горение должно происходить над ней; з - в состав огнеупорной насадки должны входить как материалы, длительно не разрушающиеся при температуре продуктов сгорания и образующие опору для шихты, так и плавящиеся при температуре продуктов сгорания материалы, что необходимо для увеличения объема проходов в слое насадки; и - расположение газовых горелок, форма и размеры горелочных туннелей, шахты должны быть такими, чтобы создавалось наиболее равномерное распределение газовых потоков по сечениям шахты и не нарушались процессы горения в огнеупорной насадке. Разработаны эффективные способы плавки в шахтных газоотапливаемых печах не только чугуна различных марок, но и минеральных материалов для производства шлаковаты, алюминиевых сплавов. На основе экспериментов выявлены рациональные технологические процессы плавки на газообразном топливе, разработаны методики расчета плавильных агрегатов, горелочных систем, воздухоподогревателей, рекуператоров. Создание указанных выше устройств различной производительности достаточно экономичных стало возможным благодаря математическому моделированию процессов с применением ЭВМ. Большинство разработок выполнено применительно к плавке чугуна на газообразном топливе. Кроме газовых вагранок с огнеупорной колошей, внедрены в производство газовые вагранки с водоохлаждаемой перемычкой в шахте с выносной камерой перегрева. Преимущества испытанных газовых горелок по сравнению с коксовыми следующие: не требуются устройства для транспортировки и дозирования кокса, улучшаются экологические условия, упрощается автоматизация процессов подачи топлива и окислителя, ваграночных процессов, уменьшается в получаемом металле содержание серы и улучшается качество металла, легче достигается безопасность работы плавильного агрегата путем применения автоматики безопасности, проявляется возможность в широких пределах изменять химический состав чугуна, упрощается получение малоуглеродистого чугуна, что облегчает получение ковкого чугуна, достигается значительная экономическая эффективность. Наиболее перспективны газовые вагранки при производстве высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ковкого чугуна, при работе в дуплекс-процессе с электропечами. Опыт эксплуатации газовых вагранок показал, что такие плавильные агрегаты вполне могут заменить коксовые вагранки при производстве серого чугуна всех марок, причем газовые вагранки - не выделяющие пыль металлургические печи. 3. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ В производственных условиях испытано несколько типов шахтных высокотемпературных металлургических печей, работающих на газообразном топливе - природном газе. На основе экспериментальных 12

исследований и производственной проверки установлено, что в высокотемпературных плавильных печах рационально сжигать природный газ при таких условиях, когда достигается наиболее высокая температура продуктов сгорания, а затем в высокотемпературные области печи вводить углеводороды и уменьшать коэффициент рaсхода воздуха в продуктах сгорания до необходимых для интенсификации теплообмена величин. При этом несколько уменьшается температура горячих газов, но образующиеся при разложении углеводородов твердые частицы углерода приводят к увеличению степени черноты и излучательной способности горячих продуктов сгорания. Разложение углеводородов природного газа практически полностью заканчивается при такой температуре (1473 К), которая ниже температуры продуктов сгорания в высокотемпературных печах. При разложении углеводородов горячие продукты сгорания обогащаются не только светящимися частицами углерода, но и водородом, а углерод и водород обладают высокими восстановительными свойствами, увеличивающимися с повышением температуры. Следовательно, интенсификация теплопередачи в высокотемпературных печах может быть достигнута не только благодаря повышению излучательной способности горячих продуктов сгорания в связи с образованием в них дисперсной фазы — твердых частиц углерода, но и благодаря тому, что при снижении окислительных свойств продуктов сгорания уменьшается толщина теплоизолирующей оксидной пленки на поверхности нагреваемого металла. Для уменьшения расхода тепла в печи на нагрев и разложение углеводородов их рационально предварительно подогревать до подачи в продукты сгорания. Это позволяет сохранять высокие температуры последних и повышать их излучательную способность. Чем выше температура в факеле с учетом температурного режима в печи для ведения технологического процесса и чем выше температура предварительного подогрева углеводородов, тем большее количество последних можно вводить для подсвечивания продуктов сгорания и тем интенсивнее становится излучательная способность печной атмосферы. Горячие газы следует турбулизировать и засвечивать струями углеводородов в зонах, где необходима интенсификация теплообмена. После участия в теплообмене необходимо дожигать отходящие газы, повышая коэффициент расхода воздуха до величин, больших единицы, и производить утилизацию тепла этих газов. При этом улучшается дожигание печных газов и упрощается управление печным процессом. Изложенный выше способ сжигания природного газа позволяет в широких пределах управлять процессами горения, светимостью и составом продуктов сгорания, интенсификацией теплообмена в высокотемпературных печах, вести процессы в печах экономично. Этот способ прошел проверку на эффективность в чугуноплавильных агрегатах - газовых вагранках. Разработанная на основе изложенного выше способа система рационального сжигания природного газа в высокотемпературных печах 13

включает в себя горелочные устройства, обеспечивающие достижение максимально возможной температуры в горящих факелах, устройства для подсвечивания продуктов сгорания путем подачи струй углеводородов (природного газа) в высокотемпературные зоны печи, устройства для дожигания горючих компонентов отходящих из печи газов, рекуператоры для полезного использования тепла отходящих газов, нагрева подаваемого в горелочные устройства воздуха-окислителя. Испытанная в производственных условиях, такая система показала высокую эффективность. Повышалась производительность газовой вагранки при плавке чугуна на 15...35 % в связи с интенсификацией теплообмена, уменьшались потери металла в связи с окислением в 1,3...2,0 раза, увеличивалась температура жидкого металла на 20...60 градусов, повышался термический коэффициент полезного действия плавильного агрегата на 12...25 %, уменьшался износ (разрушение) футеровки в высокотемпературных зонах печи, улучшались процессы горения в вагранке и поджигания горючих компонентов отходящих из печи газов. В вагранке сжигание производилось при оптимальной величине коэффициента расхода воздуха α0, когда обеспечивалось достижение максимально возможной температуры в факелах. Величина α0 зависела от температуры подогрева воздуха и находилась в пределах 0,92...0,98. В высокотемпературных зонах печи коэффициент расхода воздуха в связи со струйным вводом углеводородов в горячие продукты сгорания снижался до 0,8...0,9. После выхода из шахты вагранки в зонах дожигания горючих компонентов продуктов сгорания коэффициент расхода воздуха был больше единицы за счет подмешивания в продукты сгорания воздуха. Из пылеуловителя вагранки выходили газы, состав которых по вредным выбросам не превышал действующих норм. Выводы: Следовательно, наилучшие показатели печного процесса могут быть достигнуты, когда используется подогрев воздухаокислителя и горючего газа, а сжигание производится при оптимальном коэффициенте расхода воздуха, причем дополнительный ввод углеводородов в высокотем-пературные зоны печи способствует не только улучшению процесса теплопередачи от продуктов сгорания нагреваемому металлу, но и приводит к уменьшению потерь металла от окисления, защите печной футеровки от интенсивного разрушения связи с меньшим воздействием на нее излучения в менее прозрачной печной атмосфере. Дожигание горючих компонентов уходящих печных газов способствует улучшению экологических условий. 4.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УМЕНЬШЕНИЮ РАСХОДА ТОПЛИВА В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ

При плавке чугуна в газовых вагранках с использованием холодной газовоздушной смеси на сжигание расходуется 100-120 м3 природного газа (при нормальных условиях) на 1 тонну получаемого жидкого металла. Для уменьшения расхода природного газа на плавку металла в газовой вагранке 14

рационально: а) применять горячее воздушное дутье (подогрев воздуха, подаваемого в горелки, до 500˚С позволяет снизить расход природного газа на 1 тонну получаемого жидкого чугуна до 80 м3 в расчете на нормальные условия); б) плавить чугунную шихту, использовать в составе шихты минимальное количество стали, до 10% (увеличивается производительность плавильного агрегата); в) использовать тугоплавкую огнеупорную насадку – холостую огнеупорную колошу (получается меньше шлака в связи с оплавлением огнеупоров); г) создавать в шахте более равномерное распределение горячих газов путем применения оптимальной формы шахты (уменьшаются тепловые потери, увеличиваются термический коэффициент полезного действия и производительность плавильного агрегата); д) образовывать менее окислительную печную атмосферу в зоне плавления, применять дожигание отходящих газов, рекуперацию тепла, подогрев шихты (повышаются КПД и производительность печи). Выявленные особенности тепловых процессов в газовых вагранках, закономерности горения газообразного топлива позволяют разрабатывать экономичные чугуноплавильные агрегаты.

15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам исследований разработана теория высокотемпературного сжигания газообразного топлива, выявлены эффективные топливосжигающие устройства для плавильных агрегатов, улучшена технология плавки чугуна в газовых вагранках. Топливосжигающие устройства газовых вагранок имеют уровень выше мировых достижений. Разработанные рекомендации по усовершенствованию горелочных систем высокотемпературных тепловых агрегатов реализованы на АО «Пензкомпрессормаш», осуществлены в разработке газовой вагранки с регулируемой производительностью. Социальная значимость работы – улучшение условий труда и экологической обстановки в чугунолитейных цехах.

16

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Почему необходима разработка научных гипотез и методик моделирования? 2. Какие газовые вагранки получают распространение в промышленности? 3. Как можно улучшить тепловые процессы в газовых вагранках? 4. Какие продукты сгорания образуются при горении метана в воздухе? 5. При каких температурах возможна диссоциация продуктов сгорания? 6. Какие температуры могут быть достигнуты при горении метана в воздухе? 7. Почему рационально уменьшать величину коэффициента расхода воздуха с повышением температуры в газоотапливаемой печи? 8. Возможно ли присутствие сажистого углерода в высокотемпературных продуктах сгорания углеводородного топлива? 9. На основе чего разработаны рекомендации по уменьшению расхода топлива при плавке чугуна в газовых вагранках? 10. Как можно использовать результаты термодинамических расчетов горения применительно к газовой плавке чугуна? 11. Могут ли СО2 и Н2О при высокой температуре окислять железо? 12. Почему с повышением температуры в газовой печи окислительные свойства продуктов сгорания углеводородного топлива увеличиваются? 13. Что надо сделать, чтобы уменьшить окисление железа в высокотемпературной газовой печи? 14. Как могут повлиять на металлургический процесс частицы сажистого углерода в продуктах сгорания метана? 15. При какой температуре разлагается метан? 16. Что произойдет в чугуноплавильной газовой печи, если в высокотемпературные продукты сгорания газа добавить метан? 17. Как эффективно сжигать природный газ в шахтных чугуноплавильных агрегатах?

17

ЛИТЕРАТУРА 1. Грачев В.А., Черный А.А. Применение природного газа в вагранках. - Саратов: Приволжское книжное издательство, 1967. – 172с. 2. Грачев В.А., Черный А.А. Современные методы плавки чугуна. Саратов: Приволжское книжное издательство, 1973. – 342с. 3. Черный А.А. Математическое моделирование в литейном производстве: учебное пособие/ А.А. Черный. – Пенза: Информационноиздательский центр ПГУ, 2007. – 192с.

18

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………..…………………3 1. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ГИПОТЕЗ И МЕТОДИК МОДЕЛИРОВАНИЯ …………………………………………………. 4 2. НОВЫЕ, НЕ ВЫДЕЛЯЮЩИЕ ПЫЛЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПЕЧИ – ГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ …………………………………… 8 3. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ …………………………………………… 12 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УМЕНЬШЕНИЮ РАСХОДА ТОПЛИВА ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ………………………………………………………… 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………….. 16 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ…………………………………………… 17 ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………… 18

19

ЧЕРНЫЙ Анатолий Алексеевич ЭФФЕКТИВНЫЕ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ЧУГУНОПЛАВИЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ

Учебное пособие

Пензенский государственный университет Пенза, Красная, 40 20