СОВРЕМЕННЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

MODERN PRINCIPLES OF INDUSTRIAL FURNACES DESIGN

Svetlana Gertsyk

cand. Sci. (Eng.) Assist. Professor, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Vladislav Rapatsevich

student, Moscow Polytechnic University

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены основные направления проектирования новых и модернизации существующих промышленных печей с целью снижения затрат на производство продукции, которые сводятся к следующему: внедрение современных низкотеплопроводных футеровочных материалов, рекуперация тепла уходящих продуктов горения и системы отопления, минимизирующую выбросы вредных веществ с продуктами горения топлива.

ABSTRACT

The main directions of modernization and design of industrial furnaces to reduce costs for production, which are the following: the introduction of modern low thermal conductivity lining materials, heat recovery exhaust products of combustion and heating system which minimize emissions of harmful substances from fuel combustion products.

Ключевые слова: промышленные печи, футеровка, система отопления, оксиды азота, горелки, рекуперация.

Keywords: industrial furnaces, lining, heating system, nitrogen oxides, burners,   recuperation.

В настоящее время нагревательные и термические печи широко используются не только в металлургии, но и в машиностроительной других отраслях промышленности. Разнообразие нагреваемой продукции и видов термообработки обуславливает разнообразие их конструкций. Эти печи используют для нагрева мелких и крупных заготовок и слитков, они могут работать по непрерывному или периодическому режиму.

При нагреве небольших заготовок в нагревательных печах периодического действия обычно осуществляется постоянный во времени температурный режим. В таких условиях температура газов, уходящих из нагревательных печей, бывает высокой, и поэтому для использования тепла продуктов горения целесообразна установка теплоутилизационных устройств, например, рекуператоров, при наличии которых удельный расход тепла на обработку единицы продукции снижается тем больше, чем выше температура подогрева компонентов горения, воздуха и (или)топлива [1,6].

Нагревательные и термические печи можно отапливать твердым, жидким и газообразным топливом. Наиболее эффективной и экономичной и считается работа печей на газообразном и жидком топливах.

В промышленных печах нагрев металла сопровождается окислением его поверхности, что приводит к образованию окалины (безвозвратные потери металла), которая вызывают разрушение огнеупорных материалов кладки.

Важнейшими показателями работы печей являются удельная производительность (напряжение пода печи) и удельный расход тепла. Однако эти показатели, характеризуя работу печи, сами зависят от ряда факторов [4]:

• толщины нагреваемой заготовки;
• температурного режима нагрева;
• вида топлива;
• конструкции и качества теплоутилизационных устройств;
• качества материалов кладки.

Печной парк металлургических и машиностроительных заводов сформирован довольно давно и в настоящее время в связи с возросшими требованиями к качеству металлопродукции нуждается в модернизации, которая сводится к следующему:

• улучшение технико-экономических показателей работы печей за счет снижения тепловых потерь кладкой при использовании новых низкотеплопроводных огнеупорных материалов;
• использование современных теплоутилизационных устройств в конструкциях практически любой печи;
• улучшение экологических показателей работы печи за счет рационального выбора системы отопления.

Для обеспечения высокопроизводительной работы печного агрегата необходимо:

− обеспечение необходимой температуры металла и заданного режима нагрева;

− экономичность сжигания топлива (минимизация недожога) и максимально возможный к.п.д. при минимально необходимом удельном расходе тепла и топлива;

− простота конструкции и минимальные габаритные размеры, обеспечивающие нагрев большого ассортимента изделий при различных температурных режимах с заданной производительностью;

− механизация и автоматизация загрузки и выгрузки изделий, и их перемещение по подине печи, что не только увеличивает её производительность, облегчает обслуживание, но и позволяет устанавливать печи в общем производственном потоке цеха или в поточных автоматических линиях;

− автоматическое регулирование теплового режима, обеспечивающее точное соблюдение заданного режима по сравнению с ручным регулированием;

− удобство обслуживания при эксплуатации и ремонтах;

− возможность применения защитной (контролируемой) атмосферы при необходимости безокислительного нагрева метала.

Всем этим требованиям в первую очередь удовлетворяют электрические печи и несколько в меньшей степени, топливные, в том числе и работающие на природном газе. Топливные печи получили преимущественное применение в кузнечно-термических цехах. При нагреве стали под пластическую деформацию температура печи должна быть не ниже 1250 °С. В кузнечных печах эту температуру наиболее просто достигнуть при использовании высококалорийного топлива с высокой калориметрической температурой горения.

Получение высокой температуры продуктов горения топлива в печах, работающих на газах различной калорийности возможно при развитой системе утилизации тепла дымовых газов. Это осуществляется с помощью теплообменников для подогрева воздуха горения и низкокалорийного топлива в случае его применения.

Улучшение тепловой работы печей можно обеспечить за счет:

1. Снижения тепловых потерь через футеровку печи.

От службы футеровки зависит надежность работы печи и ее кампания. Элементы футеровки− под, стены и свод – обычно выполняют из традиционных огнеупорных материалов, таких, как шамотный огнеупор, магнезит, диатомитовый кирпич, динасовые блоки и т.п. Выбор огнеупоров для футеровки промышленных печей зависит от их назначения, температурного режима, количества образующийся окалины, механического воздействия нагреваемого металла.

Снижение тепловых потерь печью может быть достигнуто при применении огнеупорных материалов, обладающих низкими значениями коэффициента теплопроводности. Например, использование в качестве огнеупорного слоя среднетемпературных термических печей волокнистых материалов типа шамотно-волокнистых плит ШВП-350 и муллитокремнеземистых плит МКРП-340 [5, 6] значительно (в несколько раз) сокращает удельные потери тепла кладкой печи и время ее разогрева до рабочей температуры. Кроме того, такие плиты легко монтировать, что сокращает трудовые затраты на монтаж печи. Недостатком этих огнеупорных материалов является относительно высокая стоимость и сравнительно низкая температура применения, обычно не превышающая 1150 - 1200⁰С.

В качестве изоляционного слоя целесообразно использовать современные волокнистые огнеупоры, свойства которых приведены ниже (табл.1).

Теплотехнические расчеты термической печи для отжига стальной полосы производительностью 6,8 т/ч, выполненные для печи с традиционной футеровкой (шамот кл. Б+диатомит) и с современной волокнистой футеровкой (плиты ШВП- 350 + базальт) при прочих равных условиях показали безусловное преимущество футеровки нового типа (табл.2).

Расчет величины удельных потерь через кладку печи q проводили по формуле:

q=                                                          (1)

Суммарные потери тепла  через теплоотдающую поверхность печи:

Q_кл = q۰F, кВт                                                                     (2)

Таблица 1.

Свойства изоляционных волокнистых материалов

Поскольку коэффициенты теплопроводности практически всех огнеупорных материалов зависят от температуры, их расчетные значения находили методом последовательных приближений.

Таблица 2.

Сравнение показателей работы печи с разными видами футеровки

Известно, что окупаемость волокнистой футеровки, несмотря на ее относительную дороговизну, менее одного года [5].

2. Утилизации тепла продуктов горения топлива.

В подавляющем большинстве случаев промышленные печи работают с весьма низким термическим к. п. д., величина которого чаще всего не превышает 20-30%. Низкий термический к.п.д. промышленных печей обуславливается, в основном, большими потерями тепла с уходящими дымовыми газами, достигающими иногда 50-65% от количества тепла, введенного в печь [1,6].

Лучшим методом повышения термического к. п. д. печей, а, следовательно, и экономии топлива, является возврат в печь части тепла, содержащегося в уходящих дымовых газах, на подогрев воздуха, используемого для горения топлива, а также на подогрев топлива (обычно низкокалорийного).

Подогрев компонентов горения не только обеспечивает экономию топлива на 12 -15% [1,4], но и повышает температуру продуктов сгорания топлива, что способствует ускорению процессов нагрева и делает возможным применение новых способов нагрева металла– скоростного, безокислительного, открытым пламенем и др. Печи, предназначенные для работы при высокой температуре и требующие применения высококалорийного топлива, при установке рекуператора могут работать на менее качественном (местном) топливе без снижения производительности и ухудшения технологических условий нагрева.

В промышленности используют керамические и металлические рекуператоры, причем последние имеют ряд существенных преимуществ перед керамическими и их внедряют в промышленность в больших масштабах.

Если за последние годы почти ничего нового не сделано для усовершенствования керамических рекуператоров, то за этот же период проведены большие работы по конструированию и исследованию металлических рекуператоров новых типов и освоению их серийного производства. Сейчас используют различные типы металлических рекуператоров на промышленных печах: игольчатые, термоблоки, трубчатые, радиационные и др.

Металлические рекуператоры изготавливают из серого чугуна, углеродистой стали, а также из жаропрочных чугунов и сталей, хорошо противостоящих действию высоких температур.

Преимущества металлических рекуператоров (стоимость которых выше, чем выполненных из огнеупорных материалов) заключаются в следующем:

1. Металлические рекуператоры значительно компактнее керамических;

2. Отсутствие необходимости обязательного устройства боровов, так как металлические рекуператоры хорошо размещают на печах или около печей.

3. Большая герметичность, особенно рекуператоров, в которых отдельные элементы соединены сваркой. Это дает возможность использовать металлические рекуператоры для подогрева воздуха (или газа) под большим давлением, а, следовательно, подавать газо-воздушную смесь в печи с более высокой скоростью для обеспечения большей кратности циркуляции продуктов сгорания в рабочем пространстве печей и, как следствие, большую равномерность температур в нем; подогревать (в стальных рекуператорах) газ, что невозможно осуществить в керамических рекуператорах из-за больших утечек, связанных с неплотностью конструкции.

4. Возможность использовать тепло уходящих из печей газов со сравнительно низкими температурами (примерно 500-600ºС), что значительно расширяет область их применения по сравнению с керамическими рекуператорами. Сравнительная характеристика различных типов рекуперативных устройств представлена ниже [1,6].

Таблица 3.

Сравнительная характеристика рекуперативных устройств

Из данных табл. 3, видно, что коэффициент теплопередачи в металлических рекуператорах в 6 – 8 раз выше, чем в керамических. С учетом большой толщины стенок элементов керамического рекуператора несложно получить, что объем керамического рекуператора при одинаковом количестве переданного тепла примерно в 10-12 раз больше металлического.

В рекуператорах из нелегированного металла воздух и топливо обычно подогревают до 300-350ºС, в рекуператорах, выполненных из жаропрочных сплавов – до 600-800ºС.

Хорошая газоплотность является необходимым условием для нормальной работы всякого рекуператора. Просачивание воздуха в дымовые каналы рекуператора влечет за собой понижение температуры дымовых газов, уменьшение тяги дымовой трубы, уменьшение температуры подогрева воздуха/топлива, снижение производительности печного агрегата.

Кроме того, замена вышедшего из строя металлического рекуператора требует нескольких часов, а керамического− несколько дней или недель и возможна лишь при капитальном ремонте печи.

3. Улучшение экологических показателей работы печей.

Одним из направлений проектирования новых и модернизации действующих промышленных печей является разработка системы отопления печей, обеспечивающая минимизацию образования вредных выбросов (оксидов азота и серы при сжигании серосодержащих топлив) с продуктами горения топлива. Тактическим направлением борьбы с вредными выбросами продуктов горения топлива является разра­ботка методов снижения выбросов NO_x, связанных с изменением технологии сжигания топлива и нейтрализацией NO_x в уходящих газах. Почти в равной степени она может быть решена изменением технологии сжигания топлива и очисткой дымовых газов от оксидов азота. При необходимости кардинального мно­гократного (в 5-10 раз) снижения выбросов оксидов азота в первую очередь рекомендуется метод постадийного сжигания топлива, при невозможности его использова­ния и промышленном подтверждении эффектив­ности − нейтрализации NО_х - метод очистки с применением топливных восстановителей и разного рода катализаторов.

Постадийное сжигание топлива. Технологи­ческие методы снижения выбросов NO_x в энер­гетической отрасли становятся приоритетными во всем мире. В их основе - сни­жение температуры факела введением в него водяного пара, реже воды или относительно холодных отработанных продуктов горения. В лучшем случае при этом концентрация NO_x в продуктах горения снижается на 30-50%, при этом несколько увеличивается расход топли­ва. Эти методы испытаны применительно к энергетическим котлам и печам, оснащенным горелочными  устройствами двухстадийного сжигании топлива, например,  горелках типа «труба в трубе». Их возмож­ности оказались ограниченными в связи с од­новременным загрязнением продуктов горения котельных установок бенз(а)пиреном, сажей и оксидом углерода.  Горелки типа "труба в трубе", по­зволяют получить растянутый по длине печи. Они работают при коэффициенте избытка воздуха n до 1,2 – 1,25. При значе­ниях коэффициента избытка воздуха 1,1-1,15 практически исключается химический недожог топлива.

Главные преимущества горелок типа "труба в трубе" и их модифи­каций - возможность использования высокоподогре­тых воздуха и газа, широкие пре­делы регулирования производительности, невысокое образование оксидов азота в продуктах горения, сравнительно малые габариты [2,5]. Установлено, что минимальное образование оксидов азота в уходящих газах наблюдается при коэффициенте избытка воздуха n=1,16 – 1,17 [3].

Кроме горелок типа «труба в трубе», широко используемым на нагревательных и термических печах, хорошими экологическими показателями характеризуются горелки с разомкнутым факелом (типа ГПП, ГР), устанавливаемые чаще всего в сводах печей [2, 3].

Стратегическим направлением снижения выбросов оксидов азота в прокатных цехах заводов ЧМ является переход на непрерывные технологии: совмещенные непрерывная разливка – непрерывная прокатка – термообработка. Развитие непрерывных процессов приводит к пропорциональному снижению как энергоемкости, так и валовых выбросов оксидов азота (и оксидов серы) в прокатном производстве. Освоение элементов этих процессов - прокатка с использованием тепла жидкой стали или термообработка (упрочняющая, смягчающая) с прокатного тепла приводит к существенному снижению вредных выбросов в прокатном производстве.

Горелки с пониженным выходом оксидов азота, разработанные ОАО «Стальпроект», обеспечивают существенное снижение вредных выбросов продуктами горения, в частности, снижение оксидов азота (в 2-3 раза) в уходящих газах. Они основаны на  ступенчатом сжигании топлива. Сущность его заключается в выде­лении тепловой энергии отдельными порциями с временными промежутками во избе­жание нагрева продуктов сгорания до высокой температуры, когда резко ускоряется процесс окисления азота. Эти горелки предназначены для работы на всех промышленных печах.

Другим способом уменьшения выхода оксидов азота при сжига­нии топлива является  снижение коэффициента избытка воздуха, подавае­мого в горелку, до 1,0-1,01 с одновременным сокраще­нием времени пребывания про­дуктов горения в зоне высоких температур. Разработана серия газовых аку­стических горелок, работающих по этому прин­ципу. Полнота сгорания топлива при низких значениях коэффициента из­бытка воздуха и сокращение времени пребывания реагентов (О₂, NО₂) в зоне высо­ких температур факела обеспечивается воздействием на среду высокочастотными акустическими колебаниями, что интенсифици­рует процессы тепломассопереноса. При этом сокращаются время и ско­рость образования оксидов азота.

Эффективность применения рассмотренных горелочных устройств для снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах зависит в не­которой степени от конст­руктивных и режимных характеристик конкрет­ных тепловых агрегатов. Максимальное снижение выхода оксидов азота может быть получено при соответствии между пара­метрами горелок и топочных камер [3].

Результаты экспериментальных исследований показали, что с точки зрения минимизации выбросов оксидов азота наиболее приемлемыми являются двух- и трехпроводные горелки, а также плоскопламенные горелки, дающие сравнительно небольшого размера факел и обеспечивающие косвенный направленный радиационный режим теплообмена, что бывает часто необходимо при работе термических печей. Наименее приемлемыми – инжекционные горелки с полным предварительным смешением топлива и воздуха.

Выводы. Проектирование современных промышленных печей, обеспечивающих экономичный, качественный и высокопроизводительный нагрев металлопродукции должен быть основан на следующих основных принципах.

1. Использование в качестве футеровочных материалов современных низкотеплопроводных материалов – волокнистых огнеупоров, применение которых наиболее оправдано в термических печах, рабочая температура которых как правило не превышает 1100 - 1150°С.

2.  Оснащение всех печных агрегатов теплоутилизационными устройствами, благодаря которым снижается расход топлива и сокращается валовый выброс вредных веществ.

3. Преимущественное использование в качестве нагревательных устройств современных конструкций горелок, принцип работы которых  основан на ступенчатом сжигании топлива, а также горелок с разомкнутым факелом.  Их эксплуатация обеспечивает снижение концентрации вредных веществ в продуктах горения топлива.

Список литературы:                                                                 

1. Вагин А. А., Кривандин В.А., Прибытков И.А., Перлов Н.И. Топливо, огнеупоры и металлургические печи. М.: Металлургия, 1978.−431 с.
2. Винтовкин А. А., Ладыгичев М.Г., Гусовский В.Л., Калинова Т.В. Горелочные устройства промышленных печей и топок (Конструкции и технические характеристики). Справочник.  Интермет инжиниринг. М.: 1999.−560 с.
3. Герцык С.И., Туктаров Д.Б. Оценка концентрации оксидов азота в продуктах горения топлива. Известия Вузов. Черная металлургия. 2014. № 5 с. 3 -7.
4.  Мастрюков Б.С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. Т. 1 и 2, М.: Металлургия, 1986. − 736 с.
5.  Оснос С.П., Котлицкая Ю.И. Энергосбережение при применении современных волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов и систем отопления в промышленности. Сб. «Строительные материалы и изделия». Магнитогорск,  2000. № 11.
6.  Расчеты нагревательных и термических печей. Справочник. Под. ред. Тымчака В.М.  и Гусовского В.Л. М.: Металлургия, 1983.−481 с.