Модуль 2

Лекция 7

План лекции:

Основи теплової роботи печей.

Розвиток науки про печі: гідравлічна теорія В.Е. Грум-Гржимайло, енергетична теорія Н.Н. Доброхотова - И.Д. Семикина. Теплотехнічний зміст поняття «промислова піч», процеси які відбуваються в печах. Класифікація печей: за принципом теплогенерації, по технологічному призначенню, по конструктивних ознаках. Поняття про теплову потужність печі, види потужностей: холостого ходу, засвоєна, робоча, загальна. Зв'язок між тепловими потужностями, особливості запису для печей безперервної і періодичної дії. Тепловий дефіцит процесу.

7  Основы тепловой работы печей

7.1  Развитие науки о печах: гидравлическая теория В.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория Н.Н. Доброхотова-И.Д. Семикина

Одной из первых теорий, объединявших представления о промышленных пламенных печах, была гидравлическая теория пламенных печей Михаила Васильевича Ломоносова, развитая профессором Владимиром Ефимовичем Грум-Гржимайло в 1909-1910 гг. в гидравлической теории расчёта пламенных печей на основе применения законов гидравлики к движению печных газов. В те времена печи работали на твердом и иногда на жидком и газообразном топливе. Преобладающим движением дымовых газов было естественное движение под действием тяги дымовой трубы. Топка отделялась от рабочего пространства печи пламенным окном. Вентиляторов обычно не было. Поэтому воздух входил в топку под действием естественной тяги. Печи, работающие на таком принципе, назывались самодувные.

Основные положения гидравлической теории расчёта пламенных печей (в кавычках выделены формулировки из книги Грум-Гржимайло В.Е. "Пламенные печи", 1932 г.):

1. Главный фактор успешной работы печи – организация движения продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Это положение актуально и сейчас.

2. "Движение пламени в печах подчиняется законам движения легкой жидкости в тяжелой (пламени в наружном воздухе)". Таким образом, печные газы движутся в рабочем пространстве, прижимаясь к своду. "Всякое движение всякой жидкости есть результат расхода напора", т.е. движение газов происходит под действием тяги дымовой трубы.

3. Для успешной работы печи дымовые окна для удаления дыма из рабочего пространства печи должны располагаться на уровне пода или в поду. "Отработавшие печные газы должны направляться кратчайшим путем в дымовую трубу. Под должен быть тщательно канализирован. Должно избегать мешка холодных газов на поду".

4. "Подсводовое пространство есть идеальная сожигательная камера; в интересах правильности протекания реакции горения, правильности и равномерности нагрева предметов, расположенных на поду, рекомендуется делать печи с высоким сводом". Чтобы газы успели охладиться в пределах рабочего пространства печи, т.е. успели передать как можно больше теплоты нагреваемым материалам, время пребывания газов в рабочем пространстве печи – t_преб – должно быть продолжительным, а скорость газов – W_д – минимальна

Рекомендуемые материалы

                                  t_преб = L_печи / W_д  и  W_д = v_д / F_сеч,                             (7.1)

где L_печи – длина печи [м]; v_д – расход дыма [м³/с]; F_сеч – площадь сечения печи для прохода дыма [м²].

Гидравлическая теория предлагала следующую методику расчета печей: вводилось понятие скорости падения температуры пламени (дымовых газов) от калориметрической температуры t_кал до температуры уходящих из печи газов t_ух за время пребывания газов в рабочем пространстве печи t_преб

                                            С_пад = (t_кал - t_ух) / t_преб.                                      (7.2)

Исходя из известной скорости падения температуры всегда можно найти температуру уходящих газов и рассчитать тепловой баланс печи.

Принципиально новой явилась, так называемая, общая теория печей академика Николая Николаевича Доброхотова, разработанная в 1923-27 годах. Он впервые показал, что движение газов в печах имеет турбулентный, а не ламинарный характер, в связи с чем процессы смешения газов и горения топлива протекают по законам турбулентного, а не ламинарного потока. Основные положения теории заключаются в следующем:

1. Для улучшения теплопередачи конвекцией и излучением газы должны двигаться в рабочем пространстве печи как можно ближе к поверхности нагреваемых предметов с возможно большей скоростью. Для этого печи нужно строить с небольшим поперечным сечением рабочего пространства;

2. Горение топлива при высоких температурах определяется условиями смешения его с кислородом воздуха. Химическая реакция горения протекает очень быстро и не лимитирует скорость процесса сжигания топлива;

3. Длина турбулентного факела пропорциональна диаметру топливной струи и не растет с увеличением тепловой нагрузки при постоянном соотношении топлива и воздуха;

4. Геометрический напор газов в печах мал по сравнению с кинетической энергией газов. Влиянием геометрического напора можно пренебречь, при этом можно учитывать только силы инерции и кинетическую энергию газовых потоков;

5. Тепловую мощность печи необходимо определять количеством не только подаваемого в нее топлива, но и кислорода, потребляемого печью для сжигания топлива. Недостаток подаваемого кислорода для полного горения топлива не позволяет использовать всю мощность;

6. Очень важное значение имеет выбор системы транспортировки перерабатываемых и получаемых в печи материалов, которая определяет тип печи и является главной ее особенностью.

Эта теория открыла новые направления в конструировании компактных печей с принудительным движением газов. Печи стали работать на жидком и газообразном топливе, появились вентиляторы, исчезли отдельно расположенные топки. Эта теория работала в период индустриализации страны, когда главным требованием промышленности была высокая производительность печей несмотря на повышенный расход топлива. Большинство положения общей теории Н.Н. Доброхотова действительно и по сегодняшний день.

В работу по развитию общей теории печей включились многие ученые, способствуя своими исследованиями появлению новых разделов, связанных с моделированием работы печей, созданию новых методов расчета промышленыx печей для различных технологических процессов.

Среди работ, отражающих развитие теории печей в 30-х годах, следует назвать труды профессора Иосифа Даниловича Семикина, который, опираясь на исследования, выполненные в начале 1910-х годов инженером Николаем Евгеньевичем Скаредовым, выдвинул в 1930 г. лозунг "Успех решает большая тепловая мощность". Попутно можно отметить, что научная заслуга Н.Е.Скаредова заключается в том, что он показал и доказал следующее: различие в работе одинаковых мартеновских печей определяется их разной тепловой мощностью. Впервые им установлено, что тепловая мощность является главнейшим фактором, определяющим работу всякой печи.

В 1934 г. свои взгляды на тепловую работу печей И.Д.Семикин назвал энергетической теорией печей в противовес гидравлической теории В.Е.Грум-Гржимайло. Основные положения энергетической теории:

1. Необходимо проектировать и строить печи с увеличенной тепловой мощностью. Это основное условие высокой производительности работы печи.

2. Для достижения высокой тепловой мощности необходимо увеличивать тягу печи за счет строительства высоких дымовых труб и увеличения мощности дымососов, увеличивать поверхности теплообмена теплоутилизирующих устройств для повышения температуры нагрева воздуха и др.

Реализация на практике положений энергетической теории печей, как ранее гидравлической теории, показала недостаточность одностороннего подхода к решению проблем, существующих в металлургических печах, главными из которых являются сокращение удельного расхода топлива и повышение удельной производительности.

Профессор Марк Алексеевич Глинков, использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теорий печей, создал в 1959-1962 годах свою, новую общую теорию печей. Основой этой теории стал основной принцип: предметом теории печей должно быть комплексное исследование трех связанных между собой процессов, происходящих в печах:

1. Сжигание топлива.

2. Движение печных газов.

3. Теплопередача от газов к нагреваемым материалам.

7.2  Теплотехническое содержание понятия "промышленная печь", процессы, происходящие в печах

Любая печь, как энергетический агрегат, может быть представлена общей схемой: "источник энергии" ® "теплота" ® "объект тепловой обработки (материалы)". В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения.

В топливной печи эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи:

1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения – дымовые или печные газы;

2) движение печных газов, с помощью которого теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи;

3) внешняя теплопередача, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов;

4) внутренняя теплопередача от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью.

В электрических печах некоторые звенья схемы будут отсутствовать. Например, в них нет горения топлива и движения газов.

7.3  Классификация печей: по принципу теплогенерации, по технологическому назначению, по конструктивным отличиям

7.3.1  Классификация печей по принципу теплогенерации

Генерация теплоты в печи происходит путем превращения химической или электрической энергии в теплоту. В зависимости от источника тепловыделения печи делятся на топливные, автогенные и электрические.

Топливные печи. В топливных печах источником теплоты является химическая энергия твердого, жидкого или газообразного топлива. Теплота выделяется в результате сгорания топлива. Теплоносителями являются газообразные продукты сгорания топлива – дымовые газы.

Топливные металлургические печи подразделяются на два класса: пламенные и слоевые. Рабочее пространство пламенных печей в малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который располагается на поду. Основной объем рабочего пространства заполнен пламенем и дымовыми газами, передающими теплоту материалу. Современные пламенные печи работают на газообразном или на жидком топливе – мазуте. Для сжигания газообразного топлива служат горелки, для сжигания мазута – форсунки. К классу пламенных печей относятся сталеплавильные (мартеновские) печи, разнообразные печи прокатного и кузнечно-прессового производства: нагревательные колодцы, методические, кольцевые, роликовые печи, печи с выкатным подом.

Известны три разновидности слоевых топливных печей: с плотным, "кипящим" и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

В вертикальных шахтных печах с плотным слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена по всему объему печи и медленно опускается сверху вниз. Горячие газы – продукты горения топлива – движутся через слой между кусками шихты снизу вверх, т.е. в противотоке. Шахтные печи с плотным слоем шихты широко распространены в металлургии. К ним относятся доменные печи, вагранки, печи для производства извести путем обжига известняка.

В печах с "кипящим" слоем под действием движущихся снизу вверх газов размельченная шихта, в состав которой может входить и размельченное топливо, разуплотняется. Отдельные частицы шихты потоком газов поднимаются над слоем подобно кипящей жидкости. Иногда вместе с воздушным дутьем снизу в печь подают газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для обжига и сушки материалов.

В печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния. Каждая частица материала находится во взвешенном состоянии под действием потока газов, идущего снизу вверх, и движется вместе с потоком. Применяют в этих печах размолотое и газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для плавки сульфидов цветных металлов.

Автогенные печи. Источником теплоты в этих печах является тепловой эффект экзотермических реакций окисления и горения ряда элементов, содержащихся в обрабатываемых материалах. В черной металлургии примером автогенных печей являются кислородные, сталеплавильные конвертеры и двухванные сталеплавильные печи. В них при продувке жидкого чугуна кислородом происходит окисление углерода и ряда других элементов с выделением теплоты. Этот процесс не требует расхода топлива.

В мартеновской печи, наряду с выделением теплоты сгорания топлива, происходит тепловыделение от окисления углерода и других элементов, содержащихся в жидкой ванне. Такие печи занимают промежуточное положение между топливными и автогенными печами.

Электрические печи. По способу преобразования электрической энергии в теплоту можно выделить три класса печей, применяемых в металлургии: электродуговые, индукционные и печи сопротивления.

В дуговых печах используется принцип пропускания электрического тока через газовый промежуток между двумя электродами. Под действием электрического напряжения газ между электродами ионизируется и становится электропроводным. При этом в газовом промежутке возникает электрическая дуга, представляющая собой яркосветящуюся смесь электронов, положительных ионов, атомов и молекул. Дуга является зоной, в которой энергия электричества преобразуется в теплоту, при этом температура дуги составляет от 3000 до 20000 К.

В индукционных печах используется свойство переменного электрического тока создавать вокруг проводника переменное магнитное поле. Если поместить в такое поле нагреваемое тело, являющееся проводником, то в нем будут индуктироваться вихревые токи. Энергия вихревых токов преобразуется в теплоту, которая выделяется внутри нагреваемого тела.

Работа так называемых печей сопротивления основана на действии закона Джоуля-Ленца, согласно которому при протекании тока в проводнике выделяется теплота, пропорциональная его электрическому сопротивлению. В печах сопротивления можно использовать постоянный и переменный ток.

В металлургии электрические печи применяют для выплавки стали, производства ферросплавов, для нагрева металла перед обработкой давлением и при термической и термохимической обработке металлоизделий.

7.3.2  Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы

По технологическому назначению металлургические печи разделяют на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов. В этих печах материалы, как правило, изменяют своё агрегатное состояние. Плавильные печи могут быть чугуноплавильными, сталеплавильными, медеплавильными и т.д.

Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их агрегатного состояния. Нагревательные печи применяют в металлургии для обжига огнеупорных изделий, известняка, магнезита, для сушки материалов, для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки металла с целью изменения его структуры и механических свойств.

По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и периодического (циклического) действия.

К печам непрерывного действия относятся рудовосстановительные дуговые печи, шахтные слоевые печи, такие печи прокатного производства, как методические печи с шагающими подом или балками, кольцевые и роликовые печи. В этих печах технологический процесс идет непрерывно, материалы, как правило, перемещаются от загрузочных устройств к устройствам для выпуска готовой продукции.

К печам периодического действия относятся сталеплавильные дуговые и мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы, садочные камерные печи с выкатным и с неподвижным подом, применяемые в кузнечно - прессовом производстве и в термических печах и отделениях. Эти печи работают циклами. Цикл состоит из последовательных операций загрузки шихты или изделий, их тепловой обработки и затем выпуска или выгрузки готовой продукции.

7.4  Понятия о тепловой мощности печи, виды мощностей: холостого хода, усвоенная, рабочая, общая. Связь между тепловыми мощностями, особенности записи для печей непрерывного и периодического действия

Как всякая энергетическая установка печь характеризуется мощностью.

Тепловой мощностью печи называют количество теплоты, которое выделяется в печи в единицу времени при полном сгорании топлива или за счет расхода электрической энергии.

Единицей измерения мощности является Вт = Дж/с. Часть мощности, потребляемой печью, расходуется на совершение полезной работы – нагрев материалов. Она поглощается материалами и поэтому называется усвоенной мощностью М_усв, другая часть вынужденно теряется в окружающую среду – М_пот. Поэтому принято называть тепловую мощность печи общей мощностью

                                             М_общ = М_усв + М_пот.                                        (7.3)

Общая мощность топливной печи выражается через расход топлива, измеряемый расходомером в м³/ч (м³/с) - для газообразного топлива или в кг/ч (кг/с) – для жидкого топлива. Расход твердого топлива определяют путем взвешивания.

Если обозначить расход топлива В, то

                                              , Вт.                                         (7.4)

7.4.1  Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс

В печной системе имеются два вида потерь теплоты: 1) потери в рабочем пространстве печи – М_прп и 2) теплота, уносимая из печи уходящими дымовыми газами М_ух.

Теплота в рабочем пространстве теряется, во-первых, на нагрев футеровки, т.е. огнеупорного ограждения печи, иначе говоря аккумулируется футеровкой, она обозначается М_ак.ф; во-вторых, проходит насквозь через футеровку благодаря теплопроводности, и уходит в цех излучением и конвекцией от разогретой внешней поверхности футеровки – М_пот.ф; в-третьих, теплота теряется излучением через открытые окна печи – М_окн; в-четвертых, расходуется на нагрев воды, которая охлаждает металлические элементы конструкции печи, работающие при высокой температуре – М_охл.в. В целом

                               .                         (7.5)

В электропечах имеется один вид потерь – потери в рабочем пространстве печи, поэтому для электропечей в (7.3) М_пот = М_прп.

Топливная печь, наряду с потерями в рабочем пространстве печи, имеет и второй вид потерь – с уходящими из рабочего пространства продуктами горения топлива – М_ух. Эти потери состоят из физической теплоты горячих газов М_ух.ф и могут включать неиспользованную химическую энергию топлива вследствие неполного его сгорания в печи (недожога) – М_хн.

Таким образом, для топливных печей мощность М_пот в выражении (7.3) будет равна М_пот = М_прп + М_ух. Тепловой баланс топливной печи будет таким

                                       .                                  (7.6)

Электрические печи по сравнению с топливными должны быть более экономичны по расходу топлива, так как в них нет потерь с уходящими газами, однако не следует забывать, что при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях были свои тепловые потери, в том числе с уходящими в атмосферу газами.

Теплота газов, уходящих из рабочего пространства, необязательно полностью теряется в атмосферу. В современных топливных печах часть теплоты дымовых газов используют для подогрева воздуха, а иногда и газообразного топлива, которые направляются в горелочные устройства печи, т.е. теплота дымовых газов частично возвращается в рабочее пространство печи в виде физической теплоты воздуха – М_ф.в и топлива – М_ф.т. Этот процесс передачи теплоты дыма воздуху или топливу происходит в специальных устройствах – теплообменниках двух типов: рекуператорах и регенераторах, которые устанавливают в дымовых каналах между рабочим пространством печи и дымовой трубой. Потери теплоты с газами, уходящими в атмосферу – М_ух.атм, будут меньше по сравнению с потерями на выходе из рабочего пространства М_ух, а именно

                                      .

Тепловой баланс топливной печи окончательно будет иметь вид

                            .                       (7.7)

В крупных печах, например, в мартеновских и двухванных, теплоту уходящих газов используют для получения водяного пара, для чего за печами устанавливают котлы-утилизаторы.

Потери теплоты в рабочем пространстве печи также стремятся уменьшить прежде всего путем применения футеровки с лучшими теплофизическими свойствами – с меньшей теплоемкостью и теплопроводностью.

Существуют проекты так называемых безинерционных печей, ограждение которых отражает обратно в печь падающее на него из печи тепловое излучение, т.е. имеет свойство теплового зеркала. Существуют печи с испарительным охлаждением, в которых вода в водоохлаждаемых элементах печи превращается в пар, используемый в системе отопления помещений. Предложены схемы печей, в которых теплота, прошедшая через футеровку, передается воздуху, который также может быть полезно использован.

Потоки теплоты в топливной печи схематично изображены на рис. 7.1

Бесплатная лекция: "6 - Глубинное культивирование" также доступна.

Рис. 7.1 – Потоки теплоты в топливной печи:
1 ‑ рабочее пространство печи; 2 ‑ горелка; 3 ‑ нагреваемый материал; 4 ‑ дымовой канал; 5 ‑ утилизатор теплоты уходящего дыма (рекуператор); 6 ‑ вентилятор; 7 ‑ дымовая труба

7.4.2  Тепловой дефицит процесса

Тепловой дефицит – это количество теплоты, которое нужно сообщить исходным материалам, чтобы превратить их в 1 кг (или 1 т) конечного продукта. В условиях постоянного давления среды это количество теплоты равно приращению удельной энтальпии Dі = і_к – і_н, Дж/кг, где і_к – энтальпия конечного продукта на выходе из печи, Дж/кг; і_н – энтальпия материала при загрузке в печь, Дж/кг конечного продукта.

Чем больше Dі, тем больше предстоящая тепловая работа печи, тем продолжительнее время тепловой обработки t_тепл, тем ниже производительность печи.

Например, при нагреве холодных слитков и заготовок перед обработкой давлением Dі = 800-900 кДж/кг (МДж/т), в мартеновской или дуговой сталеплавильной печи Dі = 1500-1900 кДж/кг (МДж/т) жидкой стали, в доменной печи Dі = 10500-12500 кДж/кг (МДж/т) жидкого чугуна.

Чтобы уменьшить расход топлива или электричества, нужно стремиться к уменьшению теплового дефицита путем сохранения энтальпии, полученной материалом в предыдущем металлургической переделе: жидкий чугун при выплавке стали, горячие слитки с жидкой сердцевиной при нагреве их перед прокаткой и т.д.