СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Методические нагревательные печи являются крупным потре­бителем топлива, а процесс нагрева металла перед обработкой давлением представляет собой важную технологическую операцию, определяющую качество и энергоемкость готовой продукции. При решении проблемы энергосбережения на этом участке сквозной металлургической технологии необходимо повышать эффективность работы всего комплекса оборудования: нагревательных печей, рекуператоров, утилизационного оборудования путем оптимизации основных конструкционных и режимных характеристик как отдельных элементов, так и системы в целом.

Одним из способов снижения удельных энергозатрат на нагрев металла является повышение интенсивности теплообменных процессов в рабочем пространстве печи, которая определяется главным образом профилем рабочего пространства печи и системой отопления. Наиболее эффективной с точки зрения интенсивности теплообмена является сводовая система отопления с использованием радиационных плоскопламенных горелок. Преимущества сводового отопления по сравнению с торцевым заключаются в возможности гибкого регули­рования теплового и температурного режима в условиях изменения сортамента изделий и производительности печи и обеспечения высокого качества нагрева без местных перегревов поверхности заготовки. Применение сводового отопления позволяет обеспечить до 20 % экономии топлива по сравнению с торцевым отоплением [1, 2].

Улучшение условий теплообмена также может быть получено за счет интенсификации его конвективной и лучистой составляющей: турбулизации пограничного слоя, импактных струй, циркуляции вокруг приемника [3], использование вторичных излучателей, повышение излучательной способности первичного теплоносителя, горение в пограничном слое.

Весомой статьей расхода тепла в тепловом балансе печи являются потери тепла через кладку и с охлаждающей водой. Для нагревательных печей характерны значительные потери тепла в систему охлаждения подовых труб, достигающие 12‑12, 5 % тепловой мощности печи [4]. Возможность использования тепла, идущего на охлаждение элементов печи, обеспечивается системой испарительного охлаждения, дающей насыщенный пар давлением 1,8‑2,5 МПа в количестве 25‑30 т/ч [5]. Снижение потерь тепла из рабочего пространства печи может быть достигнуто за счет повышения газоплотности печи и за счет уменьшения тепловой инерционности футеровки. Применение материалов с хорошими теплоизоляционными свойствами позволяет снизить потери тепла теплопроводностью через футеровку и с аккумуляцией на 25‑30 %, что обеспечивает экономию топлива до 15 % [6].

Наиболее эффективным средством уменьшения удельного расхода теплоты топлива является повышение коэффициента исполь­зования теплоты топлива  . Для этого используют два способа:

• снижение температуры уходящих из печи газов путем нагрева металла в неотапливаемой зоне или в камере предварительного подогрева металла;
• утилизация теплоты уходящих печных газов и возврат ее в печь с нагретыми в рекуператорах или в регенераторах компонентами горения [7].

Снижение температуры дымовых газов может быть достигнуто путем использования их для предварительного подогрева металла. Наряду с усложнением задачи управления работой печи, увеличением капитальных и эксплуатационных затрат, применение технологии «горячего посада» позволяет снизить количество потребляемой печью энергии на 7,5 % на каждые 100 °С повышения температуры садки [8].

Одним из наиболее эффективных средств снижения удельных расходов топлива в нагревательных печах является подогрев воздуха отходящими из печи продуктами сгорания. В методических печах средняя температура уходящих дымовых газов составляет 700‑1100 °С, что сопоставимо с потерями теплоты 30‑45 % при доле полезно используемого тепла 30‑40 % [1].

Использование тепла вторичных энергоресурсов осуществляется в рекуператоре путем высокотемпературного подогрева воздуха, подаваемого на горение. В результате часть тепла, отобранного у дымовых газов, возвращается в печь. Применение рекуператоров позволяет повысить тепловой к.п.д. печного агрегата, увеличить температуру горения, и в итоге сэкономить топливо технологического назначения. При подогреве воздуха до 300‑350 °С экономия топлива в нагревательной печи достигает 20‑25 % при температуре дымовых газов 1200 °С [9]. Экономия топлива при температуре 700-800 °С при увеличении температуры подогрева воздуха горения последовательно с 200 °С до 700 °С на каждые 100 °С составляет около 5 % [10].

Выбор оптимального значения коэффициента рекуперации требует детального анализа, учитывающего не только экономию топлива за счет увеличения температуры подогрева воздуха, но и затраты, связанные с установкой и эксплуатацией оборудования. В реальных условиях значения температур подогретого воздуха не превышают 50‑70 % от температуры дымовых газов, покидающих рабочее пространство печи. Дальнейший рост температуры воздуха связан с резким увеличением поверхностей нагрева рекуператоров [5]. По мнению авторов [11], наиболее целесообразно подогревать воздух горения до 450‑500 °С, а дальнейшее повышение температуры невыгодно, так как требует применения жаропрочных сталей для рекуператора и внутренней футеровки воздухопроводов от рекуператора до горелок и самих горелок.

Альтернативным методом топливосбережения в печах является применение регенеративных систем отопления, когда горелки снабжены индивидуальными регенераторами. Применение такой системы отопле­ния дает возможность подогревать воздух до температуры на 100‑150 °С ниже температуры уходящих продуктов сгорания. Из регенератора продукты сгорания уходят с температурой порядка 200 °С, что делает нецелесообразным дальнейшую утилизацию тепла [1].

Наиболее распространенная система утилизации тепла дымовых газов нагревательных печей включает в себя установленный за рекуператором печи серийный котел-утилизатор с дымососом (рис. 1).

Рисунок 1. Схема теплоэнергетической системы методическая печь – рекуператор – котел-утилизатор

Эффективность использования теплоты отходящих газов в котлах-утилизаторах, зависит от температуры отходящих газов, тепловой мощности и режима поступления газов в теплоиспользующую установку. Многорежимная работа печей не позволяет поддерживать постоянным расход газов перед котлом-утилизатором. При работе тепловой печи с режимом ниже расчетного снижается температура газов перед котлом. Наряду с присосами холодного воздуха это приводит к неэффективной работе котла-утилизатора с производитель­ностью ниже расчетной, нарушению аэродинамического и теплового режимов печи. Температура продуктов сгорания перед КУ редко превышает 400‑500 °C, из-за недостатка тепловой мощности дымовых газов производительность КУ обычно составляет 15‑30 % проектной [12]. С целью выравнивания паропроизводительности котел-утилизатор может быть оборудован выносным подтопочным устройством, сжигание дополнительного топлива в котором позволяет обеспечить номинальную паропроизводительность [1, 13, 14].

Энерготехнологическое комбинирование позволяет решить задачу оптимизации технологического процесса на базе рационального энергопотребления на всех стадиях основной технологии. Энерготех­нологический агрегат, состоящий из последовательно расположенных по ходу движения дыма испарительных поверхностей нагрева со встроенным пароперегревателем и воздухонагревателем, смонтирован­ными в общем корпусе, позволяет гарантированно нагреть воздух горения до 350‑450°С. При этом выработка пара агрегатом на листовых станах в 2‑2,5 раза выше, чем на аналогичных печах с традиционной системой утилизации [1]. Кроме того исключена необ­ходимость в рекуператорах. Энерготехнологические теплоутилизаторы, включающие водонагреватель или испарительную поверхность и рекуператор, позволяют увеличить коэффициент использования топлива до 80 % [12].

Как правило в России температура уходящих дымовых газов составляет 120‑200 °С, а влагосодержание 0,1‑0,15 кг/кг [15]. При этом теплота уходящих газов и скрытая теплота парообразования водяных паров может быть полезно использована. Использование явной и скрытой теплоты влажных газообразных вторичных энергетических ресурсов называется методом глубокой утилизации теплоты дымовых газов. В связи со сложностью технической реализации процесса и ограниченной возможностью применения получаемого низкопотен­циального тепла целесообразность глубокой утилизации тепла газов, определяется характером потребителя тепла и требуемым темпера­турным уровнем теплоты.

Для реализации мер по энергосбережению необходима оптимизация не только схемных и конструкционных решений, но и режимных характеристик оборудования. Под режимами нагрева металла в методических печах понимается зависимость основных параметров тепловой обработки металла от времени. Режим нагрева сталей обуславливается технологическими особенностями, конструкцией и назначением печи, формой, размерами и расположением металла в агрегате [16]. К числу основных режимных параметров работы печи относятся расход топлива, его теплота сгорания, расход воздуха, время нагрева, производительность, размер заготовок, физические свойства металла, температура металла, температура зоны и др.

Главной задачей процесса нагрева является получение равномер­ного температурного поля в слябах при минимальных затратах энергетических ресурсов. Управление процессом нагрева металла осуществляется путем изменения температурного режима в зонах печи. Необходимо обеспечить рациональный энергосберегающий режим нагрева, при условии достижения требуемые значения параметров, характеризующих качество металла, точность и равномерность нагрева (скорости нагрева металла в области упругих деформаций, конечная температура нагрева, перепад температур по сечению, угар металла). Разработка режимов нагрева металла, обеспечивающих требуемый уровень качества металлопродукции, требует проведения много­вариантных расчетов, учитывающих большое число факторов и ограничений [17]: теплофизические и термомеханические свойства конкретной марки стали, геометрические размеры сляба, температуру посада металла и на выдаче из печи, конструктивные особенности печного агрегата и энергосиловые возможности прокатного стана, ограничения допустимых температур металла, перепада температур по сечению заготовки в конце нагрева, потери металла с окалиной и др. Поставленная задача может быть решена с помощью математического моделирования процесса нагрева стали в печи.

Таким образом, можно сделать вывод, что в нагревательных печах прокатного производства существует большой потенциал энергосбережения. Обеспечение энерго- и ресурсоэффективности при нагреве стали перед прокаткой достигается путем выбора оптимальных конструкционных решений, реализации энергосберегающих режимов работы печи, за счет рациональной компоновки теплоутилизационного оборудования для использования вторичных энергоресурсов.

Список литературы:

1. Лисиенко В.Г. Хрестоматия энергосбережения / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев. – В 2 кн. – Москва: Теплотехник, 2005. – 688 с и 768 с.
2. Лисиенко В.Г. Интенсификация теплообмена в пламенных печах / В.Г. Лисиенко. – М.: Металлургия, 1979. – 224 с.
3. Сорока Б.С. Топливные печи в проблеме интенсификации процессов тепло- и массопереноса / Б.С. Сорока // Материалы 5-ого Минского международного форума по тепло- и массообмену. – Минск, Белоруссия, 24-28 мая, 2004. – 25 с.
4. Быков В.В. Выбор режимов нагрева металла / В.В. Быков [и др.]. М.: Металлургия, 1980. – 168 с.
5. Розенгарт Ю.И. Теплоэнергетика металлургических заводов: Учебник для вузов / Ю.И. Розенгарт, З.А. Мурадова. – М.: Металлургия, 1985. – 303 с.
6. Дружинин Г.М. Ресурсоэнергетические проблемы черной металлургии / Г.М. Дружинин // Известия вузов ЧМ. – 2014. – № 1. – С. 3-8.
7. Губинский В.И. Актуальные задачи реконструкции нагревательных печей / В.И. Губинский // Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов НМетАУ. Днепропетровск: НМетАУ, 2005. С. 149-156.
8. Shamanian М. Hot Charge of Continuously Cast Slabs in Reheating Furnaces / М. Shamanian, A. Najafizadeh // International Journal of ISSI, Vol.1. – 2004. – № 1. – РР. 35-37.
9. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей / Б.П. Тебеньков. – М.: Металлургия, 1975. – 296 с.
10. Тимошпольский В.И. Пути повышения энергоэффективности промышлен­ных печей при рекуперации теплоты уходящих дымовых газов / В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова, Д.В. Менделев // Литье и металлургия. – 2012. – № 2. – С. 98-101.
11. Дружинин Г.М. Опыт ОАО «ВНИИМТ» в разработке печей и горелочных устройств для металлургии и машиностроения / Г.М. Дружинин, И.М. Дистергефт // Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология: материалы II междунар. конгресса. – 2006. – С. 49–62.
12. Братова Т. П. Эффективная утилизация тепла дымовых газов термических и нагревательных печей / Т. П. Братова, А.З. Рыжавский // Металлург. – 2003. – № 4. – С. 35.
13. Сазанов Б.В. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий: учеб. пособие для вузов / Б.В. Сазанов, В.И. Ситас. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 304 с.
14. Ганул А.О. Особенности стабилизации работы котлов-утилизаторов за нагревательными печами // А.О. Ганул, Д.С. Мордовкин, В.И. Дождиков // Сталь. – 2017. – № 4. – С. 67-69.
15. Гаряев А.Б. Утилизация теплоты вторичных энергетических ресурсов в конденсационных теплообменниках / А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев. М.: Издательство МЭИ, 2010. – 120 с.
16. Розенгарт Ю.И. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах / Ю.И. Розенгарт [и др.]. – Киев; Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1986. – 296 с.
17. Темлянцев М.В. Рациональный выбор режима нагрева стальных слябов под прокатку / М.В. Темлянцев [и др.] // Известия вузов ЧМ. – 2001. – № 2. – C. 55-58.